高效节能搅拌器的数值模拟及性能预测

【摘要】：随着我国经济的持续、快速发展,城市化和工业化规模的不断扩大,城市污水排放量急剧增加。低成本,高效率的处理污水已经成为每个城市迫切需要解决的问题。搅拌器作为主要的污水处理设备,其搅拌效率和能耗对污水处理产业有着重要影响。研发低能耗,高效率的搅拌设备显得十分必要。本文根据某污水处理厂委托的高效节能搅拌器研发项目的研究要求,自主研发一种新型的高效节能立式搅拌器。 根据搅拌器的设计理论、计算流体动力学知识和一些参考资料,建立叶轮直径为1500mm,搅拌池宽为4.8m,长为8.0m,水深为6.0m的三维实体模型。基于RNG k-ε湍流模型结合VOF方法数值模拟搅拌器分别以30、40、50 r/min的速度在搅拌池中的运行过程。其中搅拌池自由液面的位置确定采用几何重构格式进行处理；速度-压力耦合项采用PISO算法分离求解；动量、湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式进行离散；迭代格式采用低亚松弛格式进行计算。 通过对搅拌池流场的数值模拟及计算结果分析得出：自主研发的搅拌器在以30r/min速度运行时,搅拌池内最小速度达到0.02m/s最大速度达到0.20m/s,其速度满足搅拌要求。搅拌池内从水面到池底速度逐渐增加,从搅拌器中心到搅拌池壁面速度逐渐减小,池中水流在叶轮的推动下形成垂直旋流,同时又在叶轮旋转带动下产生水平旋流,其流场达到了良好的混合与搅拌效果。在不考虑叶轮、传动轴自重和减速箱摩擦耗能的情况下,转速为30r/min,耗能为337.0W；转速为40r/min,耗能为868.1W；转速为50r/min,耗能为1679.8W；在同等条件下,与传统的潜水搅拌器相比具有效率高,能耗低等特点。 【关键词】：搅拌器 VOF 数值模拟 CFD
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 国内外搅拌器研究现状及趋势11-14
• 1.2.1 国内搅拌器研究现状11-12
• 1.2.2 国外搅拌器研究现状12-13
• 1.2.3 搅拌器发展趋势13-14
• 1.3 计算流体动力学(CFD)简介14-23
• 1.3.1 CFD的特点14-15
• 1.3.2 CFD的优势15-16
• 1.3.3 CFD的工作步骤16-17
• 1.3.4 CFD的研究进展17-22
• 1.3.5 CFD通用软件介绍22-23
• 1.4 本文研究的主要工作23-25
• 第二章 流体运动控制方程25-43
• 2.1 流体动力学控制方程25-28
• 2.1.1 连续性方程25-26
• 2.1.2 动量守恒方程26-27
• 2.1.3 控制方程的通用形式27-28
• 2.2 湍流的数值模拟28-43
• 2.2.1 湍流的基本方程28-30
• 2.2.2 标准κ-ε模型30-32
• 2.2.3 RNG κ-ε模型32-34
• 2.2.4 大涡模拟34-39
• 2.2.5 近壁湍流模拟的壁面函数法39-43
• 2.2.5.1 动量方程中变量u的计算式41
• 2.2.5.2 湍动能方程与耗散率方程中κ和ε的计算式41-43
• 第三章 流体运动控制方程数值离散43-63
• 3.1 数值离散方法43-46
• 3.1.1 有限差分法43-44
• 3.1.2 有限元法44
• 3.1.3 有限体积法44-45
• 3.1.4 谱方法45-46
• 3.2 基于有限体积法的控制方程离散及求解46-58
• 3.2.1 基于有限体积法的控制方程离散46-48
• 3.2.2 基于有限体积法的常用离散格式48-51
• 3.2.2.1 二阶中心差分格式49-50
• 3.2.2.2 二阶迎风差分格式50-51
• 3.2.3 基于有限体积法的压力-速度耦合离散51-58
• 3.2.3.1 SIMPLE算法53-54
• 3.2.3.2 SIMPLEC算法54-56
• 3.2.3.3 PISO算法56-58
• 3.3 可动区域中流动问题的模拟58-63
• 3.3.1 旋转参考坐标系中的流动表述59-60
• 3.3.2 滑移网格技术60-63
• 第四章 水气两相分层流模型63-72
• 4.1 水气两相分层流的湍流数学模型63
• 4.2 VOF方法基本原理63-72
• 4.2.1 VOF方程的定义63-65
• 4.2.2 VOF方程求解65-72
• 4.2.2.1 Hirt和Nichols的直线近似65-66
• 4.2.2.2 FLAIR界面重构技术66-68
• 4.2.2.3 PLIC型界面重构68-69
• 4.2.2.4 Ubbink的界面捕捉方法-CICSAM方法69-70
• 4.2.2.5 积分平均型TVD格式70-71
• 4.2.2.6 FCT-VOF方法71-72
• 第五章 搅拌器数值模拟72-99
• 5.1 搅拌器三维实体模型72-74
• 5.2 三维网格生成74-79
• 5.2.1 网格类型及单元的分类74-76
• 5.2.2 非一致网格技术76-77
• 5.2.3 网格划分77-79
• 5.3 边界条件设置79-81
• 5.3.1 设定区域类型79-80
• 5.3.2 计算边界条件设置80-81
• 5.4. 计算结果分析81-95
• 5.4.1 瞬态分析81-88
• 5.4.2 稳态分析88-95
• 5.5 搅拌器性能预测95-99
• 第六章 结论与展望99-101
• 致谢101-102
• 参考文献102-107
• 附录A (攻读硕士学位期间发表论文)107

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