错位六弯叶桨搅拌假塑性流体流场特性数值模拟.pdf

文章编号： - （） - - 错位六弯叶桨搅拌假塑性流体流场特性数值模拟 栾晓坤，郑深晓，张盛峰，栾德玉 （青岛第五十八中学，山东 青岛；青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛） 摘要：利用计算流体力学方法， 以质量分数为 假塑性流体黄原胶水溶液为研究对象， 分别 对错位六弯叶桨和六弯叶桨的搅拌流场特性进行了数值模拟， 并做了对比分析， 探讨了流场结构和 时均速度分布的变化。数值模拟及分析结果表明， 错位桨流场呈现不对称结构形式， 从而可有效消 除混合隔离区， 提高混合效率； 错位桨在径向速度和轴向速度分布方面均优于六弯叶桨， 其速度峰 值明显提高， 搅动范围也显著增大， 体现出了错位六弯叶桨的优势， 是一种值得推广的搅拌器形式。 关键词：错位六弯叶桨；假塑性流体；流场特性；数值模拟 中图分类号： ； 文献标志码： doi： - Numerical Simulation on Flow Field Features of Pseudoplastic Fluids Stirred by the Impeller of Perturbed Six - bent - bladed Turbine LUAN Xiao - kun，ZHENG Shen - xiao，ZHANG Sheng - feng，LUAN De - yu （ ， ，； ， ， ，） Abstract： - - （） - - （） - （） ， （） - - ， ， - - Key words： - - （） ； ； ； 符号说明 流体稠度系数， n k 搅拌器的 - 数 N 搅拌器转速， n 流变指数 u 径向速度分量， u 轴向速度分量， 第卷第期 石油化工设备 年月 - 收稿日期： - - 基金项目：山东省自然科学基金项目（） ； 山东省科技发展计划项目（） 作者简介：栾晓坤（ -） ， 男， 山东青岛人， 高中在读。 通讯作者：栾德玉（ -） ， 男， 山东龙口人， 教授， 博士， 研究方向为过程装备高效技术。 剪切速率， 平均剪切速率， 表观黏度， 流体密度， 切应力， 流体屈服应力， u 搅拌器叶端速度， R 槽体半径， r 径向位置， 许多过程工业都会涉及到非牛顿流体的搅拌， 其中大多数流体具有假塑性特征， 呈现剪切稀化的 流变特性。对于假塑性流体而言， 减小或消除流场 中存在的隔离区、 扩大混沌区， 是提高混合效率的关 键所在 - 。目前， 在搅拌流场中诱发混沌流的主要 方法有变速搅拌 ，、 偏心搅拌 - 、 往复搅拌， 等， 这些方法都是通过改变搅拌器的运动方式来实 现的， 其混合效果受搅拌转速的周期性变化和搅拌 器偏心位置的影响。 近年 来， 人 们 在 搅 拌 设 备 的 计 算 流 体 力 学 （ ，） 分析方面做 了大量的工作， 并取得了显著的效果 - ， 这些结果 表明， 数值模拟结果可以较为准确地表征流体的流 动特性。六弯叶搅拌器（） 在假塑性流体的搅拌 过程中应用较为广泛， 但由于其结构的对称性， 流场 中不可避免地存在混合隔离区， 混合效果很不理 想 。错位六弯叶搅拌器（ ） 将个桨叶交替 上下错位， 是六弯叶搅拌器的改进形式， 具有宽黏度 域的搅拌性能， 剪切特性得到较大提高， 特别适合假 塑性流体的搅拌混合 。 文中利用方法， 分别对和桨 在黄原胶水溶液中的流场特性进行了数值模拟， 并 且进行了对比分析， 探讨了流场结构和时均速度分 布的变化情况， 阐明了桨的优势， 可以为宽黏 度假塑性流体混合及生产装置的优化提供一定的理 论参考。 搅拌槽几何模型和网格划分 搅拌槽为平底圆柱形， 具体结构见图。其内 径T ， 均布块挡板， 挡板宽度wT， 槽内液位高度T， 搅拌轴直径d ， 桨叶 直径DT、 宽度bT、 厚度 、 后弯角 ， 桨叶中心线距离槽底高度CT， 两种搅 拌器型式见图。 搅拌介质采用质量分数为 的黄原胶水 溶液， 搅拌转速为 ， 对应的表观雷诺数Re ， 此时处于湍流状态。 图 搅拌槽几何模型 图搅拌器型式 将计算域分为转子区和静子区两部分， 首先利 用 软件， 采用四面体网格对整个计算域 进行离散， 对转子区域的网格加密处理（ 图） 。然 后进行网格无关性验证， 即网格单元数目不同时， 转 子区速度大小及搅拌器功率准数的改变量均不超过 ， 确定采用约 个的网格单元数进行离 散比较适宜。 图搅拌槽计算网格图 搅拌槽数值模型和计算策略 搅拌槽内流体为质量分数 的黄原胶水 溶液， 该溶液是一种典型的假塑性流体， 其流变学测 试参数为， 稠度系数 n、 流变指数n 、 初始屈服应力 。黄原胶水溶液流 变特性符合 - 模型 ， 具体计算公 石油化工设备 年第卷 式如下： n （） 平均剪切速率与转速的关系为： kN （） 流体的表观黏度和表观雷诺数则分别按以下公 式进行计算： kN （kN） kN （） Re kN D （kN） n （） 对于径向流搅拌器，k 。 计算采用多重参考系法， 选用标准 k - 模型， 该 模型常数C 、 、 、C 、 C 。基于稳态隐式分离算法， 动量方程按照 二阶上迎风格式进行离散求解， 压力速度耦合项采 用算法， 速度场收敛残差均小于 。 近壁区域的流动计算采用标准壁面函数法， 搅拌槽 壁面定义为无滑移边界条件， 自由液面处采用对称 边界条件， 转子区与静子区的交界面为内部界面边 界条件。 搅拌槽数值模拟结果与分析 宏观流场结构 选取搅拌槽的轴向纵截面作为研究对象， 在不 同转速下计算得到了黄原胶水溶液速度分布矢量 图， 见图图。其中A、C、D这个点为截面 流场涡心位置，和桨涡心位置的变化见 表和表。 由图图以及表和表可以看出， 桨搅拌流场表现出对称的双涡环流场特征， 流体沿 水平方向被排出， 流场中存在明显的隔离区， 这对混 合极为不利。 桨搅拌流场流体排出方向发生了变化， 被向上或向下倾斜排出， 不再是典型的径向流场特 征， 可以有效消除混合隔离区， 从而提高混合效率。 当转速N 时，个涡心点及相应的涡形完 全不对称， 说明流场中混合隔离区消失， 可形成整体 混沌流。随着转速的提高， 左右涡心虽然趋于对称， 但左右涡形明显不同， 表明隔离区域受到大面积挤 压， 隔离区仅存一条环形周线， 基本达到了消除隔离 区的目的。 图N 时搅拌槽内黄原胶水 溶液速度矢量图 图N 时搅拌槽内黄原胶水 溶液速度矢量图 图 N 时搅拌槽内黄原胶水 溶液速度矢量图 第期 栾晓坤， 等： 错位六弯叶桨搅拌假塑性流体流场特性数值模拟 图N 时搅拌槽内黄原胶水 溶液速度矢量图 图N 时搅拌槽内黄原胶水 溶液速度矢量图 图 N 时搅拌槽内黄原胶水 溶液速度矢量图 表BT桨黄原胶水溶液涡心位置随转速的变化 转速 位置点 rz 转速 位置点 rz A C D A C D A C D 表PBT桨黄原胶水溶液涡心位置随转速的变化 转速 位置点 rz 转速 位置点 rz A C D A C D A C D 两种桨在黄原胶水溶液中的宏观速度分布见图 ， 其中高亮度区域表示流体高速度分布特征， 可见 桨的速度分布范围较广， 高亮度区域的面积明显 大于桨的， 即桨搅动范围大， 搅拌效果好。 图搅拌槽黄原胶水溶液速度云图 时均速度分布 转速N 时， 质量分数为 的黄 原胶水溶液搅拌槽内不同区域的轴向和径向无因次 时均速度分布见图图， 用于定量对比分析两 种搅拌器的性能。 石油化工设备 年第卷 图搅拌槽内z 处轴向和径向速度 沿径向变化曲线 图搅拌槽内z 处轴向和径向速度 沿径向变化曲线 图搅拌槽内z 处轴向和径向速度 沿径向变化曲线 从搅拌槽内不同高度处轴向时均速度随径向位 置的变化曲线可以看出，桨的轴向速度分布 在桨径范围内较桨的有较大提高。在桨叶底 部位置（z ） 上， 处于波峰处的轴向速度最大 值提高了 倍； 在搅拌槽中间位置（z ） 时， 波谷的轴向速度最大值提高了 倍； 而在靠近 液面高度（z ） 处， 波谷处的轴向速度最大值 提高了 倍。 通过对径向时均速度在搅拌槽内不同高度处沿 径向位置变化的比较分析可以发现， 在个不同高 度处， 处于桨径范围内的桨的径向时均速度 均明显增强， 尤其在液面高度处， 波谷处的最大径向 速度提高了 倍。当处于z 和z 位置时， 波谷处的最大径向速度也分别提高了 倍和 倍。 桨的各速度分量曲线分布左右不对称， 特别是径向速度曲线分布更为明显， 说明左右流型 不同， 流体的流动状态有差异， 表明桨能够破 坏隔离区， 诱发流体混沌混合， 且搅动范围显著增 大， 体现出了的优势。 搅拌槽内rR 径向位置处无因次时均速 度沿 轴 向 方 向 的 变 化 情 况 见 图。可 以 看 出， 第期 栾晓坤， 等： 错位六弯叶桨搅拌假塑性流体流场特性数值模拟 桨的轴向速度增强效果较为明显， 在叶片的 射流区域， 即在波峰及波谷处， 轴向速度达到最大 值。在靠近搅拌槽底面和液面时轴向速度迅速降 低，桨 的 最 大 径 向 速 度 小 于桨 的， 但 桨径向速度沿轴向的整体分布范围比的 要大， 即分布范围增大了。 图搅拌槽内rR 径向位置处轴向和径向速度 沿轴向变化曲线 结论 （） 对假塑性流体搅拌时，桨搅拌流场表 现出对称的双涡环流场特征， 流体沿水平方向被排 出， 呈现典型的径向流特征， 始终存在隔离区， 这对 混合极为不利。桨则使流体沿向上或向下方 向排出， 改变了流场的流型结构，个涡心点及相应 的涡形完全不对称， 说明流场混合隔离区消失， 从而 提高了混合效率。 （） 在宏观速度分布中，桨的速度云图分 布范围较广， 高亮度区域的面积明显大于桨 的， 即搅动范围大， 搅拌效果好。 （） 随径向位置的变化，桨的轴向速度及 径向速度分布在桨径范围内均较桨有较大提 高。桨的各速度分量曲线分布左右不对称， 说明左右流型不同。桨能够破坏隔离区， 诱 发流体混沌混合， 且搅动范围显著增大， 体现出了 桨的优势。 参考文献： ， ， ， - ，（） ： - ， ， - ，（） ： - ， ， ， - ，（） ： - ， ， ， ，（） ： - - ，（） ： - ， ， ， - ， （） ： - ， ， - ，（） ： - ， ， ，（） ： - ， ， - - ，（ - ） ： - ， ， ，（） ： - 周国忠， 王英琛， 施力田用研究搅拌槽内的混 合过程化工学报，（） ： - （ - ， - ， - （） ， ，（） ： - ） 石油化工设备 年第卷 文章编号： - （） - - 基于范德瓦尔方程氮气充装系统 充气动态特性研究 胡佰龙，魏强，苏镜元，秦威 （ 中国航天空气动力技术研究院，北京） 摘要：氮气充装系统是获得高纯氮气的有效途径， 应用广泛， 氮气机械化充装系统是必然趋势。介 绍了氮气充装系统及其数学模型假设， 基于范德瓦尔方程数值模拟了在氮气瓶组充气过程中充装 系统的动态特性， 建立了充装系统的充气过程数学仿真模型。工程模拟仿真估算出了不同气源压 力下充气过程中氮气瓶组比体积、 压力及温度的动态变化， 可为实现氮气机械化充装提供理论 依据。 关键词：氮气充装系统；范德瓦尔方程；动态特性；数学仿真模型 中图分类号： 文献标志码： doi： - Study on Inflatable Dynamic Characteristics of Nitrogen Filling System Based on Van der Waals Equation HU Bai - long，WEI Qiang，SU Jing - yuan， QIN Wei （ ， ， ） 马青山， 王英琛， 施力田， 等多层搅拌桨流动场的测量 与数值模拟化工学报，（） ： - （ - ， - ， - ， （） ， （） ： - ） 赵静， 程先明， 高正明组合桨液相搅拌槽内流动特性 的实验研究及数值模拟北京化工大学学报（ 自然 科学版） ，（） ： - （ ， - ， - （ ） ，（） ： - ） 栾德玉， 周慎杰， 陈颂