涡轮桨搅拌槽内混合过程的大涡模拟

在FLUENT 6.1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。利用滤波函数对N av ier-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Sam agorinsky-L illy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(RAN S)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RAN S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。     

涡轮桨搅拌槽内流动的旋流修正数值模拟

用标准κ-ε模型和旋流修正的κ-ε模型分别对带挡板的Rushton涡轮桨搅拌槽进行了数值模拟计算。控制方程采用有限体积法在柱坐标系下离散,压力速度耦合方程采用SIMPLE算法求解。搅拌桨和挡板之间的相互作用采用改进的内外迭代法处理。计算结果与文献实验数据的结果比较表明：在排出流区采用旋流修正的结果有很大改善,而在循环区效果却不是很好。     

多层桨搅拌槽内的宏观混合特性

在直径为0.476 m的搅拌槽内,采用电导法测定搅拌槽内单层桨和多层桨体系的混合时间。对于单层桨体系,在相同的搅拌输入功率下,不同类型的径向流桨和轴向流桨具有相同的混合时间。对于窄叶翼型CBY搅拌桨,在相同的搅拌输入功率下,单层、双层以及三层CBY搅拌桨的混合时间基本相同;而对于六直叶涡轮桨DT-6,在相同的搅拌输入功率下其混合时间随桨叶层数的增加而加长;多层CBY桨的混合时间远低于多层DT-6搅拌桨的混合时间。     

搅拌对多黏类芽孢杆菌发酵氧传递过程的影响及CFD模拟

以羧甲基纤维素钠水溶液(CMC)为液相,空气为气相,研究了不同桨型组合、体系黏度、气量、桨间距、气体分布器等对搅拌过程中氧传递的影响。结果表明：在CMC体系中,下层用径向流的涡轮斜叶桨、上层用轴向流的翼型桨有利于氧传递。当单位体积功率P/V≥1.5 kW/m3时,涡轮斜叶翼型组合桨（SRT-HI）比传统的双层透平组合桨（RT-RT）的传质系数提高约10%,且高径比越大,SRTHI优势越明显。进一步用CFX11.0进行模拟,得到了不同桨型组合下气液两相的速率、气体和氧传质系数的分布等。并在50 L发酵罐中分别采用SRTHI与RTRT研究了搅拌对多黏类芽孢杆菌HY96-2发酵溶氧影响的热模实验,结果表明,在P/V=1.6 kW/m3条件下采用SRT-HI发酵,过程中体系的溶氧情况明显好于采用RTRT时的溶氧情况。     

同轴搅拌混合器性能的数值模拟

介绍了由锚式桨和涡轮桨组成的同轴搅拌器,并利用计算流体动力学软件对其进行了数值模拟,工作介质为牛顿流体和非牛顿流体,考虑了3种不同的工作模式：涡轮桨单独旋转、内外桨同向旋转和内外桨反向旋转。通过分析搅拌器内的功率消耗、速度分布、压力分布和剪切速率分布,得出内外桨同向旋转为该同轴搅拌器的最佳操作模式。     

自吸式涡轮搅拌桨的性能研究

系统地测定了自吸式双圆盘六叶涡轮桨应用于气-液-固三相浆态搅拌反应器的性能。研究了吸入气体的临界转速、表征搅拌桨对气体抽吸能力的吸气压力、气体自吸的吸入流量、搅拌功率、气含率、气液分散性能和气液传质规律,以及固体催化剂颗粒的悬浮问题。采用磁钢密封结合自吸式涡轮搅拌桨的三相浆态搅拌反应器,比较适宜于精细化学品合成的工艺研究及本征动力学测定,并对中小规模三相浆态反应工艺的连续化生产提供了可行性研究。     

工业结晶器内流体流动过程的数值模拟

对某无机盐工业结晶反应器中的流体流动过程进行了三维数值模拟,采用多重参考系法(MRF)及标准k-ε模型,分析了桨型、转速、桨的安装高度对结晶器流场的影响情况。计算结果表明：速度分布主要集中于内导流筒内部以及内、外导流筒之间的区域,相应地,结晶器被粗略地划分为对反应结晶过程具有不同作用的两个区域——内导流筒内速度较大的循环区和外导流筒外速度较小的沉降区。通过对循环区和沉降区的速度分布比较,认为推进式搅拌桨的流体流场速度云分布均一性要好于其他型式的搅拌桨,其最佳安装高度为3.5～5.7 m。在合适的搅拌速率下,结晶器沉降区的流体流动速率具有均匀向上的特点,可以有效带出部分小粒子,有利于获得大粒度产品。通过流动过程的数值模拟获得详细的流场分布及操作参数,为结晶器结构和操作参数优化提供了理论指导。实践表明：优化后的产品粒度显著提高,产品中大于0.2 mm的粒子从优化前的不足50%提高到优化后的90%以上,干燥产品的天然气消耗从优化前的22 m3/t降低到优化后的15 m3/t,节能降耗效果显著.     

搅拌设备内流场的数值研究

利用滑移网格法计算了六直叶Rushton涡轮搅拌设备内的流场。考察了计算流体力学(CFD)模拟搅拌设备流场的预测能力，分析了搅拌桨叶端及附近区域的流动行为。结果表明：CFD计算的时均速度与实验结果一致，CFD技术与实验手段可相互补充；搅拌桨叶片端部的速度分布并非关于叶片高度的中心位置严格对称，搅拌设备的流场结构并非完全由搅拌桨的行为决定；六直叶Rushton涡轮叶端附近区域最大径向速度点与最大切向速度点不在同一个位置，径向速度在叶端附近区域有一个流动发展的过程。     

气液两相机械搅拌釜中水翼-涡轮组合桨的功率消耗

研究了气液两相机械搅拌反应釜中水翼组合桨的组合方式，通气位置、搅拌方式及桨间距对通气功率下降的影响，给出了通气功率消耗关联式。当采用以水翼k5桨为下层桨、较高的通气位置及较大的桨间距为搅拌釜的几何结构时，其通气功率的下降较小。水翼桨的排出流方向、通气管出口位置及桨间距对气体循环及全釜气液流动产生协同作用，且这种协同作用会因搅拌转速的不同而对桨间距有不同的要求。     

固液两相体系中双层搅拌桨叶的结构优化数值模拟

应用多重参考系法以及欧拉多相流模型,对双层搅拌釜内固液两相流进行CFD数值模拟,考察了不同桨叶组合形式及其安放角(θ)对固体颗粒悬浮以及功率消耗的影响。结果表明:在双层下压式斜桨中,上下层桨叶间的协同作用可以有效促进主体循环流动,提高釜内整体湍动程度,改善颗粒悬浮状况;安放角对釜内整体流型无明显影响,但体系的轴向速度、湍动能以及功率消耗都随着θ的增大而增大,其中θ为45°时可以适宜的功率获得较强的轴向流动和湍流脉动,有利于实现固体在釜内的均匀分布。     

非结构化四面体单元用于搅拌设备流场的计算

采用非结构化四面体单元,利用滑移网格技术模拟了搅拌设备内的非定常流场。通过搅拌桨叶端时均速度、功率准数与实验值的对比,量化考察了不同因素对计算精度的影响,指出了建模过程中网格划分和参数设置应遵循的原则,为非结构化四面体单元进一步用于搅拌设备CFD分析提供了可靠的理论依据,从而为基于CFD技术的具有复杂型面的新型搅拌桨的开发打下基础。     

文丘里气液分布管的实验研究与数值模拟

依据文丘里管渐缩渐扩的特点,设计了文丘里气液分布管,在底面出口采用挡板来阻挡中心区流体,实现液体的均匀分布。在=27 cm的空塔中,通过冷模实验观察了单个分布管内喉管段直径以及气液流量对分散效果的影响,同时应用计算流体力学CFD软件对分布管进行数值模拟,并在=1 m的空塔中,考察了由多个文丘里分布管组合成分配塔盘的分配效果。结果表明:当分布管喉管段直径较小时,在喉管段气液两相流形成分散流,经过底面出口挡板的碎流作用后,液体分布均匀;多个分布管的组合能优化分散效果,改善分配性能。     

油滴在旋流分离中的相间滑移数值模拟

为了研究旋流管的分离性能,应用计算流体力学(CFD)方法对旋流管内的旋转湍流流场进行了数值模拟,获得旋流管内的浓度分布、滑移速度和粒级效率曲线。计算结果显示:随着进口流量的增大,粒级效率逐渐增大;在旋流管进口流量为2.0 m3/h时,20μm油滴颗粒大部分被分离出来;粒级效率与实验结果进行对比,验证数值模拟分离效率结果的可靠性和准确性。分析结果表明:数值模拟结果和实验数据基本一致。     

生物搅拌反应器的CFD模拟及在肌苷发酵中的应用

通过改变搅拌桨叶间距,对50 L的气液搅拌生物反应器在指定转速、每升发酵液中每分钟通入空气1 L条件下的搅拌流场、剪切力、空气体积分率进行模拟,从流体力学角度对反应器进行了优化。将模拟优化结果用于实际肌苷发酵过程中,结果表明:计算流体力学(CFD)模拟优化后的搅拌桨位置能改善发酵罐内部的流场和气体分布,从而对菌体代谢和肌苷合成产生影响,使每升发酵液的产苷量提高了4.06 g。     

射流携带床气化炉内混合过程的数值模拟

采用ｋ－εＥ模型对射流携带床气化炉内α－萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐的偶合竞争串联反应的分隔指数进行了数值模拟，研究了气化炉出口面积，长径比，两股射流动量比对分隔指数的影响。模拟结果表明，ｋ－ε－Ｅ模型由于同时考虑了宏观混合和微观混合的作用，其观测值和实验测试值吻合较好。