卧式单轴自清洁搅拌釜数值模拟

【摘要】：化工生产中经常遇到高黏物系的处理，高黏物系的典型特点就是流动性差，这一特点会导致介质在装置内的停留时间分布不均，如果搅拌过程中伴有加热，则会导致物料因局部过热而发生焦化碳化。本文所研究的卧式单轴自清洁搅拌釜特别适合于高黏物系的处理。 本文运用计算流体力学的商业软件Fluent对卧式单轴自清洁搅拌釜完成模拟计算。从不同的角度考察了搅拌釜的性能。首次提出模拟中采用RNG k ε湍流模型，并采用滑移网格模型处理搅拌轴和清洁翅相互作用的问题。 本文研究了搅拌釜内的流场特性、功率特性以及停留时间分布特性，研究发现搅拌釜的流场分布无明显死角，清洁翅起到了一定的自清洁作。物料黏度的变化对搅拌功率很大的影响：物料黏度高于3Pa s时，搅拌功率随物料黏度的增加呈线性变化；物料黏度低于3Pa s时，搅拌功率随物料黏度的变化不呈线性变化。计算得到的功率准数与雷诺数的曲线符合文献中查到的类似搅拌釜的曲线趋势。搅拌轴上搅拌翅螺旋角越小，停留时间分布的无因次方差越小，釜内的轴向返混越小。搅拌轴转速越大，停留时间分布的无因次方差越小，釜内轴向返混越小。搅拌介质的黏度越大，停留时间分布的无因次方差越小，轴向返混越小。在用该设备对低黏物料进行搅拌时，釜体中部存在明显的低速区；同时其停留时间分布的无因次方差很大，说明轴向返混较大；并且曲线有多个峰值说明釜内有循环流，该搅拌釜不适合于低黏物系的搅拌。 利用本文的研究成果可以为卧式单轴自清洁搅拌釜的设计提供一定的理论依据，也有助于对该种搅拌釜的控制操作。 【关键词】：卧式单轴自清洁搅拌釜 高黏物系 CFD 滑移网格模型 流场特性 功率特性 停留时间分布特性
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ027.2
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 文献综述7-22
• 1.1 搅拌混合设备概述7-10
• 1.1.1 搅拌设备在工业生产中的应用7-8
• 1.1.2 搅拌混合设备类型8-10
• 1.1.3 中高粘度流体搅拌混合设备面临的问题10
• 1.2 搅拌混合机理10-11
• 1.3 搅拌混合的研究方法11-14
• 1.3.1 LDV/PIV 测速技术11-12
• 1.3.2 电子过程断层成像技术12-13
• 1.3.3 计算流体力学方法13-14
• 1.4 计算流体力学基础知识14-18
• 1.4.1 流体动力学基本方程14-15
• 1.4.2 CFD 的求解过程15-16
• 1.4.3 CFD 软件构成及其商用软件16-18
• 1.5 计算流体力学在搅拌混合领域的研究进展18-20
• 1.6 本文的研究目的及研究内容20-22
• 第二章 模型建立与计算方法的选择22-36
• 2.1 几何模型的建立22-23
• 2.2 求解策略23
• 2.3 湍流模型的选择23-25
• 2.3.1 湍流运动的数值计算方法24-25
• 2.3.2 RNG k-ε湍流模型25
• 2.4 存在转动模型的处理方法25-28
• 2.4.1 多重参考系法26
• 2.4.2 滑移网格模型26-27
• 2.4.3 动网格模型27-28
• 2.5 流场模拟方法28-30
• 2.5.1 流场区域的划分28
• 2.5.2 网格的划分28-29
• 2.5.3 网格独立性研究29-30
• 2.6 滑移网格与动网格模型对比研究30-34
• 2.6.1 两种网格模型的处理30-32
• 2.6.2 两种网格模型的速度比较32-33
• 2.6.3 两种网格模型的速度场比较33-34
• 2.7 小结34-36
• 第三章 流场特性36-49
• 3.1 流场基本特性38-41
• 3.1.1 轴向截面速度流场和速度分布38-39
• 3.1.2 径向截面速度流场39-40
• 3.1.3 有清洁翅和无清洁翅区域比较40-41
• 3.2 流场特性的主要影响因素41-47
• 3.2.1 不同转速下的流场特性41-43
• 3.2.2 不同物料进口速度下的流场特性43-45
• 3.2.3 不同物料黏度下的流场特性45-47
• 3.3 小结47-49
• 第四章 功率特性49-57
• 4.1 功率特性模拟计算方法49
• 4.2 功率基本特性49-52
• 4.3 功率特性的影响因素52-55
• 4.3.1 不同转速下的功率特性52
• 4.3.2 不同物料进口速度下的功率特性52-53
• 4.3.3 不同物料黏度下的功率特性53-54
• 4.3.4 不同螺旋角对搅拌功率的影响54-55
• 4.4 功率准数与表观雷诺数的关系55-56
• 4.5 小结56-57
• 第五章 停留时间特性57-63
• 5.1 不同螺旋角的变化对停留时间的影响58-59
• 5.2 停留时间分布的不同影响因素59-62
• 5.2.1 不同物料进口速度下的停留时间分布59-60
• 5.2.2 不同转速下的停留时间分布60-61
• 5.2.3 不同物料黏度下的停留时间分布61-62
• 5.3 小结62-63
• 第六章 结论63-65
• 参考文献65-68
• 符号说明68-69
• 致谢69

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