搅拌槽内多层组合桨流场的分离涡模拟(2)
2.3.2 模拟方法 31
2.3.3 模拟结果 31
结论 43
符号说明 44
致谢 46
参考文献 47
1 引言
1.1 研究背景及意义
搅拌器被广泛应用于化工、生化、食品等许多工业过程中，根据操作目的的不同，搅拌器几何形状和搅拌桨类型有很大的差别。由于搅拌器的复杂性和多样性，目前采用的半经验设计方法存在设计过程复杂、周期长、结构难以最优化等缺陷[1]。当搅拌反应器的高径比大于1时，需要采用多层组合桨，从而获得更好的气液分散效果和更高的混合效率。但是，组合桨搅拌槽内流场的复杂程度远远大于单层桨[2]。
搅拌通常是在搅拌槽内进行的，旋转的搅拌桨把机械能转化为流体的动能，从而形成槽内流体的流动，完成传热及传质等过程。搅拌桨的类型、安装和运动方式以及搅拌槽的结构对于搅拌槽内流体的流动有重要影响，因此研究搅拌槽内流动特性可以提高传热和传质效率，对搅拌设备进行优化设计。然而，搅拌槽内的流动是一个三文的、高度复杂的过程，人们对流体混合的研究并不十分透彻，有关的理论及设计计算方法仍不完善，许多还是处于半经验半理论阶段。与此同时，采用实验的方法对搅拌槽内的流场进行测量也具有局限性，往往只能获得一些局部的信息，对某些过程有时甚至是无法进行测量的。因此，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法，建立能精确捕捉槽内流动特征且计算量小的数学模型对搅拌槽内的流动与混合过程进行数值研究是非常有必要的。目前在搅拌槽流场数值模拟方面应用比较广泛的CFD模拟方法主要有雷诺时均法、大涡模拟和直接数值模拟，其中大涡模拟对计算机内存及CPU速度的要求较高，需要相当大的计算时间，直接数值模拟更是如此，还只能用于研究低雷诺数的流动；雷诺时均法计算量低，但不能捕捉流体的非稳态流动特征，只能对时均流动给出较为准确的结果，给出的只是真实流动过程的一种近似。鉴于此，近年来提出了耦合的LES/RANS模型，即分离涡模型（DES），充分利用雷诺时均法计算量小和大涡模拟计算精度高的优点，取得了理想的模拟结果，该模型采用雷诺时均法模拟边界层内的流动，在远离物面的分离区域，采用大涡模拟来求解。多年来的发展和实践证明，分离涡模型可用于解决工程实际问题，得到的结果也被证明是可靠的[3]。
目前国内采用DES对多层组合桨进行模拟的研究还较少，本文采用基于标准k-ε模型的DES模型对吹冰直叶涡轮桨（DT）和45°倾角四折叶轴流桨（PBTD45）在带挡板搅拌槽内的流场进行模拟并与文献值进行比较，再对带挡板的多层组合桨搅拌槽内的流场进行预测。
1.2 搅拌桨
搅拌桨叶是搅拌混合设备中最重要的部件之一。在搅拌操作装置中，搅拌槽内流体运动的能量来自于桨叶，即传动装置带动搅拌轴和叶轮旋转，以此实现把机械能传递给槽内流体，促使流体的强制对流，在强制扩散过程中完成混合过程。
桨叶旋转一方面对流体具有直接剪切作用，使得叶轮区流体高度湍动，另一方面产生高速射流推动槽内流体以一定的轨道形式在全槽内循环流动，此轨道形式就是搅拌槽内流体的流型。高速射流对静止或低速流体的强烈剪切作用产生大量漩涡，加速局部范围内物料的混合[4]。
搅拌器基本上可以分为轴向流和径向流两种。其区别主要在于轴向流搅拌器产生的流体流动基本轨迹是沿着搅拌轴方向，径向流搅拌器则使流体沿叶轮半径方向排出。具体分类中：推进式叶轮、新型翼型叶轮等属于轴向流搅拌器，而各种直叶、弯叶涡轮叶轮则属于径向流搅拌器。
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