涡轮桨搅拌槽内流场国内外研究现状(2)
时间:2017-05-17 21:56 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
李志鹏，高正明[20]用大涡模拟方法研究了涡轮桨搅拌槽内的单循环流动特性，采用smagorinsky—Lilly动力亚格子模式，与Montante等文献实验及模拟数据进行了详细的比较。实验采用的模型的主要参数为搅拌槽直径Z=290mm, 液位高H=290mm，4块挡板沿槽壁周向均布，宽29mm，与液位同高。标准优尔直叶涡轮，桨径D=98mm，约T/3，叶片高D/5，叶片长D/4，圆盘直径为0.75D。桨叶离底高度C=0.15T,槽内流体为水，桨叶转速N=4.17 ，模拟采用了2种网格条件，将两种网格条件下的计算结果命名为LES-A和LES-B，计算域内全优尔面体网格数量分别约为450000和800000。LES—B中桨叶区采用了较密的网格划分，尺寸约l~2mm，其余区域约3~5mm。LES-A中采用近似均匀网格，尺寸约4mm。实验先采用k-ε模型计算初始流场，然后再进行非稳态大涡模拟。每个桨叶旋转周期内取60个时间步，残差均小于0.0001，LES-A统计了30个桨叶旋转周期内的数据；LES-B分别统计了10和30个桨叶旋转周期内的样本数据。结果表明，单循环中流体从桨叶排出后偏向槽底运动，而双循环中桨叶区流体近似水平射出，略偏槽体上部运动；(2)单循环中叶片后方尾涡逐步向圆盘中心平面下方移动，上尾涡运动较快，在叶片后方30°处，上尾涡已开始减弱。双循环流动时，双尾涡结构略偏圆盘中心平面上方运动，在叶片后方40°时,仍可以清晰分辨双尾涡结构。800000个非均匀分布的计算网格和30个桨叶旋转周期的样本数据统计可获得准确的大涡模拟数据。时均速度、均方根速度和湍流动能的大涡模拟值与实验数据一致，而k-ε模型的模拟值与实验不符，不适于求解复杂流动。桨叶区呈现较强的各向异性，这是导致 模型预测不准确的主要原因。对于搅拌槽内的复杂流动，大涡模拟方法是一个非常有效的工具。 苗一，潘家祯[14]在FLUENT6.1软件平台和网络并行计算硬件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，实验在槽径(T)为0.476m的有机玻璃槽中进行，设有宽度为T/l0的4块挡板,采用标准优尔直叶涡轮桨，直径0.l87m,操作转速l20~240r/min。网格划分采用滑移网格法和混合网格法相接合的办法，即搅拌桨区域采用旋转网格，同时采用非结构化网格，且进行加密，以更好地描述搅拌桨；其他区域采用静止网格结构化网格，相对旋转网格稀疏,以减少运算量，考虑到LES 的需要和搅拌桨叶片的厚度( 2 mm)，旋转网格的尺寸选择2 mm，其他区域为4mm，这个尺寸已满足Taylor微观尺度(桨叶区域约为2. 0~2. 4 mm)，总网格节点数为l005376。采用电导法测定混合时间,以饱和KCl溶液作为示踪剂,示踪剂在釜的一侧液面处加入,电导电极放置于釜的另一侧接近釜的底部,用于测定釜内液体的电导率随时间的变化, 这样可以测到釜内最长的混合时间,电导电极输出信号经放大及A/D转换后由计算机进行数据采集处理, 混合时间数据处理采用95%规则,即当示踪剂浓度到达最终稳定浓度值的 5%时,该时刻为混合时间。模拟首先以标准 模型计算,初步收敛后作为大涡模拟的初始条件,大涡模拟为非定常求解,时间离散采用二次隐式公式,空间离散采用中心差分。滑移网格法是一种非定常的计算法,它计算的是各个时刻的瞬时值,为了能将非定常的计算结果与LDV的时均实验数据作比较, 需要对计算结果进行处理，选取搅拌桨旋转一周作为周期平均瞬时值。尾涡是搅拌槽内湍流流动场中一种常见的现象, 不同的搅拌桨所产生的尾涡数量，大小等各不相同。Schafe利用激光测试仪详细测定了几种搅拌桨的流动场,对于优尔直叶涡轮桨,每个叶片后方产生一队尾涡, 随着流体的径向流动而离开叶片,最终在离开叶端约一个桨叶半径的距离内消失。尾涡的直径大约是叶片高度的一半。本实验结果表明，在靠近桨叶上部和下部的区域,k-ε模型得到的速度衰减很快,远远低于实验值,而在LES中则给出比较好的模拟值, 这对尾涡的预报很有效。在混合时间预测方面，LES不仅对混合时间的预报准确性优于RANS, 而且响应曲线和实验相似。LES预报的混合时间为7.4s和实验结果(7.7s)相比相对误差为3.4%；RANS预报所得为8.7s，其相对误差为7.8%，LES可以有效地求解浓度输运方程对于槽内物质输运过程描述较准确，示踪剂响应曲线及混合时间的预报和实验结果吻合较好。 (责任编辑：qin) |