涡轮桨搅拌槽内流场国内外研究现状
时间:2017-05-17 21:56 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 对于涡轮桨搅拌槽内流场的模拟研究，可采用的模拟模型很多。国外Montante G，Lee K c等人[5,6]研究采用计算流体动力学(CFD)已经实现了模拟全挡板的涡轮桨搅拌槽中的湍流流场。研究采用的搅拌槽内径为290mm，转速为250rpm,通过模拟研究了流体模型中间隙（C）对搅拌反应槽流场过渡的影响。研究采用 模型，桨区的处理分别通过模拟技术“滑移网格法”和“内外迭代法”的方法在不需要实验数据作为边界或初始条件的要求下实现了完全预测。结果与以前获得的LDV的数据比较并显示，CFD能很好的模拟当叶轮到容器底部的间隙适当减少时，能观察到双循环到单循环的过渡，预测流场显示当C/T=0.33和0.20时，为双循环模型，而C/T=0.15和0.12时为单循环模型。且模拟和实验的轴向剖面流速也表现了很高的吻合度，尤其是在较高的C/T值。模拟得到的功率准数（NP）数据在双循环模型形成(即C/T>0.17)后与实验数据显示了良好的吻合性，但在单循环模型下则显示了较大的低估，这也被视为影响流场其他特征的原因之一。当C/T=0.15时，模拟的单循环流场结构与实验数据进行详细比较并且显示了良好的整体吻合性。模拟充分的预测了动能的周期分量，但随机成分是被低估的，这一发现也在早先进行的研究中被发现。在大多数的反应槽中也很好的预测了平均流量，但高估了叶轮水平方向上排流的角度。因此为提高模拟与测量数据间的匹配度，采用了不同精度网格和不同的湍流模型，但都没有有效的提高其与实验数据间的吻合度。研究结果表明，可能有必要进一步改进湍流模型。8787 Yoon H S，Balachandar S，Ha M Y等[10]在FLUENT平台上,采用大涡模拟(LES)的方法对涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟。利用滤波函数对Navier-Stokes方程进行空间滤波，对大尺寸的涡直接进行求解，而被滤掉的比网格小的旋涡通过Samagorinsky-Lilly亚格子模型求解，对搅拌桨区域采用滑移网格技术。结果表明：大涡模拟对尾涡的预报优于雷诺平均(RANS)方法，混合时间以及示踪剂响应曲线模拟结果和实验结果吻合较好,且优于RANS方法。大涡模拟方法为准确预测搅拌槽内湍流流动的非稳态及周期性脉动特性提供了一种有效的工具。 杨锋苓，周慎杰等[19]人对无挡板涡轮桨搅拌槽内的湍流流动进行了研究，实验采用的搅拌槽为无挡板平底圆柱形槽，内径T=0.19 m，搅拌桨为标准优尔直叶涡轮搅拌桨，液位高度H=T，桨叶转速N=3.33 r/s，对应叶端线速度Utip=1 m/s，雷诺数Re=3.3× 。取1/6 槽体进行建模，整个求解区域分为转子和静子两部分，都采用优尔面体单元进行离散，共划分了467188 个单元，并对搅拌器进行了加密，文中所有模拟工作均采用FLUENT6.3 软件，首先使用标准k−ε模型进行稳态流场的模拟，近壁区采用标准壁面函数，动量、湍动能及湍动能耗散率均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合采用SIMPLEC 算法，模拟搅拌桨与槽体间的相对运动采用多重参考系法(Multiple Reference Frames, MRF)，所有变量的收敛残差均小于1×10−4。待k−ε模型的计算收敛后，以其结果作为初始值进DES 模型的计算，时间项和动量项的默认离散格式分别为二阶隐式和有界中心差分格式(Bounded central differencing)，修正的湍动粘度方程采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合项采用SIMPLEC 算法进行求解，所有变量的收敛残差也均小于1×10−4. 每个桨叶旋转周期内取240个时间步，时间步长为1.25×10−3 s，每个时间步内迭代40次，共迭代5280个时间步，对应22个桨叶旋转周期. 整个计算运行了12d，计算量约为LES模型的1/3。与现有文献大涡模拟及实验结果对比表明，标准k−ε模型对无挡板Rushton桨搅拌槽内湍流流动特征的预测精度差，仅能给出时均流场结构；而DES模型则能捕捉瞬时流动特征，能很好地模拟搅拌槽内的湍流流动，DES模型对时均速度分布的预测结果与实验结果吻合较好，其中对切向速度的预测精度最高，误差不超过7%，对径向速度分布的预测精度低一些，局部误差接近12%，而对轴向速度的模拟结果更接近真实情况，比LES 模型的预测精度高。DES模型具有与LES 模型相近的预测精度，且计算量更小(约为大涡模拟的1/3)，说明DES模拟既能保证计算精度，又能降低计算量，是一种很好的数值模拟方法。 (责任编辑：qin) |