渦輪槳攪拌槽內流動特性的實驗研究和數值模擬.pdf

1、渦輪槳攪拌槽廣泛應用于化工、生物、食品和制藥等工業(yè)過程，其內部的流動特性對工業(yè)設計及優(yōu)化具有重要影響。因此，本文從PIV測量和CFD數值模擬兩方面對多種槳葉及流型下攪拌槽的流動特性進行深入研究，為其應用基礎研究及優(yōu)化設計提供指導和參考。
　　 本文在直徑為0.476m的平底有機玻璃攪拌槽內，保證液位高與槽直徑相等，利用相位解析的高分辨率PIV測試技術，對多種復雜流型下槳葉的尾渦結構、平均速度、脈動速度和湍流動能進行實驗研究。其中

2、Rushton渦輪槳的各流型通過改變槳葉層數、直徑及離底距離來實現，而曲面渦輪槳則采用標準雙循環(huán)流型。結果表明：槳葉后方的雙尾渦結構在所有渦輪槳的任意流型下都會出現，但其發(fā)展歷程及運動軌跡各不相同；相位平均實驗結果中，高湍流動能區(qū)主要集中在葉端射流區(qū)附近，而相位解析結果中，高湍流動能分布區(qū)位于兩反向旋轉尾渦的匯合區(qū)附近，且隨尾渦的運動向槽內其它區(qū)域傳遞；單循環(huán)流型下，幾何結構完全相同時，雷諾數的變化對無因次化的速度和湍流動能幾乎沒有影響

3、，但幾何結構相似時，局部區(qū)域的流動存在差異；流型分布與槳葉直徑及離底距離密切相關，降低離底距離可使流型從雙循環(huán)向單循環(huán)轉變，但此時增加槳葉直徑流型又會從單循環(huán)轉變?yōu)殡p循環(huán)；曲面形狀對渦輪槳的尾渦結構和高湍流動能分布區(qū)影響顯著，葉片形狀趨于流線型時尾渦衰減較快，湍流動能也迅速降低。
　　 在FLUENT軟件的基礎上編寫了大渦模擬的數據統(tǒng)計及處理程序，對單層Rushton渦輪槳攪拌槽的雙循環(huán)和單循環(huán)流型進行大渦數值模擬，并與PIV實

4、驗及k-ε模型計算結果進行比較，同時分析亞格子模式及網格模型對大渦模擬結果的影響。結果表明：大渦模擬方法能夠反映攪拌槽內復雜的非穩(wěn)態(tài)特性；標準k-ε模型對雙循環(huán)流型下平均速度的預測與實驗基本吻合，湍流動能的計算值略偏低，但其得到的單循環(huán)流型的速度及湍流動能分布與實驗明顯不符；大渦模擬方法預測的雙循環(huán)流型的湍流動能分布比k-ε模型準確，對單循環(huán)流型的速度及湍流量的估計較k-ε模型有根本上的改善；不同亞格子模式之間沒有顯著的差別，網格較密的

5、區(qū)域DSL模式比SSL和DKE模式略好。
　　 利用大渦模擬方法研究了雙層Rushton渦輪槳攪拌槽內的平行流、合并流和分散流等流型的特性，討論了邊界條件和數據處理方法對計算結果的影響，結果表明：大渦模擬在預測雙層槳復雜流動方面比k-ε模型有顯著改善；邊界條件需盡量與實際物理模型保持一致；湍流特性數據應采用相位平均和相位解析方法處理，以避免槳葉旋轉運動引入擬湍流成份。
　　 采用Realizablek-ε湍流模型，對多種

6、曲面渦輪槳的壓力系數及速度分布進行數值模擬，分析了葉片形狀對流動特性的影響，并針對半橢圓管渦輪槳提出改進的方法。結果表明：Realizablek-ε模型對Rushton渦輪槳的功率準數和槳葉表面壓力系數的預測與實驗數據吻合很好；半圓管渦輪(CD)葉片表面及后方的負壓區(qū)范圍較Rushton渦輪顯著降低；四種曲面渦輪槳之間，壓力系數的絕對值由低到高的順序依次為：拋物線形渦輪B(PT-B)、拋物線形渦輪A(PT-A)、半橢圓管渦輪(HEDT)