桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响_毕业设计(论文)
叶顶间隙对渣浆泵内部流场影响研究
：０
（） １
动量方程 ：
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—１ ２ ０— ７
作者简介 ：刘文辉 ，在读硕士研究生 ，研究方 向为计算 机集成制造系统 、流场仿 真。Ｅ— ａｌ ｉ ｅｈ ｉ ０ ０ ＠ １３ ｅｍ ｍ ｉ ｕ ｎｕ２ ６ １ ６ ． ｏ 。 ：ｌ ｗ ０
・
７ ２・
（ ） 叶顶 间 隙值 的变化 主要对 间 隙附近 区域 流 １ 场产生影响 ；
（ ） 随着 间隙值增 大 ，叶 片背 面和 顶面 的低 压 ２ 越来越明显 ； （ ） 叶顶 间隙值越 大 ，叶顶 间 隙 回流流 动越 严 ３ 重 ；同种间隙下 ，回流 流动最严重 的区域在 叶片顶面 压力最低点附近 ；
口流动 ，在 叶轮进 口流体 区域流体 圆周速度不大 ，受 叶轮裹挟不明显 ，使 得此处 的压力 等值线 比较紊 乱 ， 而当流体进 口到叶片流道 内靠 近叶轮 出 口侧 ，其受叶 片作用 明显 ，此时压力增 加很快 ，压力等值线几乎与 盖板垂直 。 （ ）观察 不 同间隙下 的压 力分 布 图 ，不难 发现 ２ 有 一个共 同的特 点 ，工作 面 的压力 要 比背 面 的压力 高。当间隙增大 ，工作面压力下降 ，而背面压力在增 大 ，这是 由于当间隙增 大后 ，泵 内的回流增加 ，使得
一
参 考文献 ：
【】 １ 李仁年， 徐振法， 韩伟， 渣浆泵内部流场数值模拟与 等． 磨损特性分析 ［］排灌机械 ， ０ （ ）５ ８ Ｊ． ２ ７２ ：— ． ０ 【 】王红生． ２ 渣浆泵技术现状与发展展望 ［］ 选煤技术， Ｊ．
２ ０ （ １ ：０— １ ０６ Ｓ ）６ ６ ．
【】 ５ 袁宁， 张振家， 黄洪雁， 基于区域分解算法的叶顶间隙 等．
桨叶式搅拌机的设计
1前言建材产品的生产,从原料、燃料到半成品都需要进行破碎和粉磨,其目的是使物料的表面积增加,以提高物理作用的效果及化学反应的速度,如促进均匀混合,提高物料的流动性,便于贮存和运输,提高产量等。
水泥熟料和石膏一起磨碎成最终产品,其磨碎的粒度越细,表面积越大,则水泥的标号就越高。
改善和提高产品的质量和数量,减少动力消耗,降低生产成本,对达到优质、高产、低消耗具有重要意义。
机械冲击粉碎是建材行业材料破碎的主要手段，其设备效率是重要的技术和经济指标。
目前在搅拌机的设计研究中，主要集中在耐磨材料和常规设计的改进。
在水泥行业、选矿电力等工业领域中广泛使用粉磨机械，但各类粉磨机械都有生产效率低，能耗高的缺点。
当前的发展趋势是“以破代磨”，借助加强粉磨机前的粉碎，降低入料粒度，可大幅度提高粉磨机产量，降低综合能耗。
本课题是结合市场上所使用的各类型号的搅拌机及由厂家在使用过程中所反馈的信息,分析其问题的来源,并相互比较综合各类搅拌机的优点,经师生讨论而确定的。
设计要求:a、最大进料粒度：<150mm；b、出料粒度：<10mm；c、生产能力：25-30t/h。
使用范围：桨叶式搅拌机既可以用于生料的破碎,又可以用于熟料的破碎。
它适用于粉碎水泥熟料、粒状高炉矿渣、石灰石、砂岩、页岩、煤矸石、煤块、铝块石、金矿石、钼矿石等多种物料。
它广泛应用于：建材、化工、冶金、电力、煤炭、矿山等工业部门。
技术要求：机械设计应保证其功能良好、使用可靠、维护方便；零件结构设计要选择合理的毛坯型式和材料，并尽可能的采用标准件和通用件，并具有良好的工艺性。
设计方法：采用二维CAD绘制图纸和在UG平台上创建三维模型相结合的方法，更加直观地将所要设计的结构表达出来。
本课题着重解决如何将反击式搅拌机和锤式搅拌机的优点结合、锤头磨损问题和机体平衡问题、搅拌机在工作过程中的粉尘泄露问题及搅拌机的各工作参数的优化确定方法等。
本设计具有很强的实用价值。
不同桨型的搅拌槽中非稳态温度场分布的研究
第 16 卷第 6 期 2002 年 12 月高 校 化 学 工 程 学 报 Journal of Chemical Engineering of Chinese UniversitiesNo.6 Vol.16 Dec. 2002文章编号： 1003-9015(2002)06-0609-05不同桨型的搅拌槽中非稳态温度场分布的研究王志锋, 黄雄斌, 施力田 (北京化工大学化学工程学院，北京 100029)摘 要：在搅拌槽中，由于搅拌桨型式的不同，会导致流体温度分布的不同。
本文在直径为 0.5m 的搅拌槽中分别使用 CBY、带副叶 CBY 以及 PBT 三种桨进行研究。
三种桨的搅拌雷诺数分别为 267 ，251 和 203 。
在搅拌槽中设置了 四组加热列管( 兼作挡板) 进行加热。
将热色液晶均匀地分散在甘油中，以显示温度的分布。
实验研究了相同功率下 三种桨的瞬时温度分布。
结果表明，搅拌槽中的温度分布取决于搅拌桨产生的流型。
当流体被加热时，流场内漩涡 中温度梯度通常大于其它区域，漩涡的存在不利于槽内温度分布的均一性。
在三种桨中，PBT 桨的轴向温差最小。
关键词：不同桨型；温度分布；相同功率；搅拌槽 中图分类号: TQ 027.2 文献标识码: A1前言在流体混合过程中，机械搅拌是最常用的一种方式。
不同形式的搅拌桨会产生不同形式的流场， 在涉及反应及传热的过程时还会影响到搅拌槽内浓度和温度的分布。
对于聚合反应过程，由于常伴有 较大的热效应，所以搅拌槽内的温度分布是否均匀、传热速率的大小是否适当等对整个反应过程及产 品质量有着决定性的影响。
同样，对于一些生化反应过程，温度分布的均匀性会直接影响到菌类的生 长。
因此，研究不同桨型的搅拌槽内温度场的分布具有重要的实际意义。
而以往有关搅拌槽中温度场 的研究多集中于层流区的锚式、螺带式等常规搅拌桨，且多是采用热电偶测量稳态温度场的分布。
对 于过渡区采用新型桨的非稳态温度场的研究报道很少[1,2] 。
三相搅拌器叶片数和安装高度对搅拌效率的影响
大， 而是 存在 一 个 最 佳 峰值 。搅 拌效 果 最差 ， 因
此， 若 能 找 到这 个 最佳 叶片数 ， 既 能提 高 效率 ， 又
能 降低成 本 。 同时 ， 笔 者 认 为搅 拌 桨 的安 装 高度
也 是一个 影 响搅拌 功率 的因素 。对搅 拌器 内部 的
果 的影 响 。结 果 显 示 ： 在 同一工况下 ， 搅 拌 桨 叶 片数 为 ２ ２ 、 安 装高度为 １ ６ ０ ｍ ｍ 时搅 拌 效 果 最 佳 。
关 键 词 三 相 搅 拌 器 计 算 流 体 力 学 叶 片数 安 装 高度 搅 拌 效 率 中图分类号 Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． ７ ２ 文献 标 识 码 Ａ 文章 编 号 ０ ２ ５ ４ － ６ ０ ９ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ － ０ ４ ８ ４ — ０ ４
图１ 三 相 搅 拌 器 模 型 网 格 划 分
女 陕 西 省 科 技 厅 工 业 攻 关项 目资 助 （ ２ ０ １ １ Ｋ １ ０ － ２ １ ） ， 陕 西 省 教 育 厅 专 项 基 金 项 目（ １ １ Ｊ Ｋ ０ ６ １ ９ ） 。 吴 煜斌 ， 男， １ ９ ９ ２年 ４月 生 ， 硕 士研 究 生 。 陕西 省西 安 市 ， ７ １ ０ ０ ６ ９ 。
气 液 固三相 的搅 拌混合 是 指气体 被通 入液 体 时有 固相溶 解／ 生成 ， 或三者 都参 与化 学反应 的过
程， 对 于有 气体 排 出 的行 为一 般 不 需 要搅 拌 。气 液 固三 相 的搅拌 混合 过程 主要关 注 由搅拌器 产 生 的流型 ， 也就 是容 器 中 的气 体 分散 受 固体 颗 粒 浓 度 和粒 径分 布 的影 响 ， 同时 固体 颗粒 的悬 浮 受 气
桨叶层数对导流筒搅拌槽内搅拌影响的数值模拟
第14卷第5期2023年10月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.14，No.5Oct. 2023桨叶层数对导流筒搅拌槽内搅拌影响的数值模拟罗璇1， 冯羽生*2a ， 逄启寿2b（1.江西环境工程职业学院机械与电子学院，江西 赣州 341000； 2.江西理工大学， a.经济管理学院；b.机电工程学院，江西 赣州 341000）摘要：搅拌桨叶层数对导流筒搅拌槽的搅拌特性有着极其重要的影响。
以赣南某稀土企业容积为10 m 3的导流筒搅拌槽实物模型数据为参考，利用Solidworks 三维软件建立了导流筒搅拌槽及不同搅拌桨叶层数的三维模型。
运用流体软件Fluent 对其进行网格等数据处理，然后根据相关公式选取桨叶层间距450 mm 为基础数据，以相近性原则选取甘油水溶液为载体，对料液在不同搅拌桨叶层数的导流筒搅拌槽中的混合过程进行仿真模拟。
以时均速度分布、速度、湍流动能和功率消耗等参数作为评价依据，选不同桨叶层数的导流筒搅拌槽的搅拌特性进行分析评价，验证了双层搅拌桨叶的导流筒搅拌槽的搅拌特性较好。
关键词：搅拌桨叶层数；导流筒搅拌槽；数值模拟；搅拌特性中图分类号：TF804.2 文献标志码：ANumerical simulation of the influence of blade layer number on the stirringcharacteristics in draft tube stirred tankLUO Xuan 1, FENG Yusheng *2a , PANG Qishou 2b（1. College of Machinery and Electronics ， Jiangxi Environmental Engineering Vocational College ， Ganzhou 341000， Jiangxi ，China ；2a. School of Economics Management ；2b. School of Mechanical and Electrical Engineering ， Jiangxi University of Science andTechnology ，Ganzhou 341000， Jiangxi ，China ）Abstract: The number of stirring blade layers has an extremely important effect on the stirring characteristics of the draft tube stirred tank. In this paper, the physical model data of a draft tube stirred tank with a volume of 10 m 3 in a rare earth enterprise in the southern part of Jiangxi province were taken as a reference, and a three-dimensional model of the draft-tube stirred tank and different layers of the stirring blades was established using SolidWorks 3D software. The 3D model was processed by the fluid software FLUENT, and the blade intervals of 450 mm were selected as basic data according to the relevant formula. The glycerin aqueous solution was selected as the carrier according to principle of similarity, and the stirring process of material and liquid in the stirring tank with different stirring blade layers number was simulated. Based on the parameters of time-averaged velocity distribution, velocity, turbulent kinetic energy, and power consumption, the stirring characteristics in draft tube mixing tank with different stirring blade layer numbers were analyzed and evaluated, verifying the optimal stirring characteristics of the draft-tube stirred tank with double-layer impeller blades.Keywords: stirring blade layers number ； draft tube stirred tank ； numerical simulation ； stirring characteristics收稿日期：2023-04-02；修回日期：2023-05-12基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ160621） ；江西省高校人文社会科学研究项目（GL19127）通信作者：冯羽生（1980— ），副教授，主要从事工程造价安装和数控技术方面的研究。
桨叶式搅拌机设计
桨叶式搅拌机设计首先，桨叶的设计应考虑其结构形式和参数。
常见的桨叶形式包括叶片状、桨状、螺旋状等，根据不同的搅拌需求选择相应的形式。
另外，桨叶的尺寸、形状和数量也会影响搅拌效果。
一般来说，桨叶越大，搅拌能力越强，但也会增加功耗和成本。
因此，需要综合考虑工艺要求和设备成本，设计出最合适的桨叶。
其次，桨叶的安装方式也需仔细考虑。
通常有两种常见的安装方式，一种是固定在轴上，一种是通过多边形连接器连接在轴上。
固定式桨叶适用于小型搅拌设备，连接式桨叶适用于大型搅拌设备，可以方便地更换桨叶。
安装方式的选择应结合具体的工艺要求和设备结构来确定。
此外，桨叶的材料也应根据搅拌物料的特性来选择。
一般情况下，桨叶应具有耐腐蚀、耐磨损和耐高温的特性。
常用的桨叶材料有不锈钢、聚四氟乙烯、聚丙烯等。
根据不同的工艺要求，可以选择适合的桨叶材料。
搅拌机的电机和减速器也需要进行合理的设计。
电机的功率应根据搅拌物料的黏度和搅拌效果来确定。
减速器的选型应考虑到电机的转速和扭矩要求，同时也要考虑到设备的可靠性和维护成本。
合理选择电机和减速器，可以提高搅拌机的效率和耐用性。
最后，还需要对整个搅拌机进行合理的结构设计。
桨叶式搅拌机通常具有机身、搅拌器和传动装置三部分组成。
机身部分应具有良好的刚性和密封性，以确保搅拌物料不泄漏。
搅拌器的结构应合理布置，以提高搅拌效果和降低能耗。
传动装置应稳定可靠，能够满足搅拌机的运行要求。
总体来说，桨叶式搅拌机设计需要综合考虑搅拌物料的特性、工艺要求和设备成本等因素。
通过合理选择桨叶结构和参数、安装方式、材料、电机和减速器，以及设计适合的机身结构，可以设计出高效、可靠的桨叶式搅拌机。
带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究_肖建军
2002年第23卷第1期华 北 工 学 院 学 报V ol.23 N o.1 2002 (总第81期)JOURNAL OF NORTH C H I NA INSTITUTE OF TEC HNOLOGY(Sum N o.81)文章编号:1006-5431(2002)01-0025-05带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究肖建军,包雨云,黄雄斌,施力田(北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘 要: 目的 研究带导流筒搅拌槽内循环流量的影响因素,优化搅拌桨型式.方法 在直径为0.5m和0.8m的带导流筒的搅拌槽内,采用热示踪热响应法系统考察了搅拌桨型、叶轮雷诺数、导流筒直径和离底距离、静液位高度、列管设置及其流通面积对循环流量的影响.结果与结论 优选出新的能产生更大循环流量的搅拌桨型式,得出各结构参数对循环流量准数的影响情况.关键词: 导流筒;循环流量;搅拌桨中图分类号: T Q027.2 文献标识码:A0 引 言 文献[1]对导流筒—搅拌槽体系内的固—液悬浮进行了研究,分析了该体系中各主要参数对搅拌水力学性能和均匀悬浮性能的影响,初步讨论了各主要参数的优化方向.Oldshue[2]提出了该体系内流量、压头、功率的关联式,为后续的研究工作提供了理论指导.对循环流量的研究,大多数是在不带导流筒的搅拌釜中进行[3],对带有导流筒结构的研究文献报道很少,而在釜内同时安装有列管换热器及导流筒结构的搅拌釜反应器内的循环流量的研究未见文献报道.作者采用目前聚酯生产中酯化反应器的搅拌桨与北京化工大学专利搅拌桨进行对比,系统地研究了搅拌叶轮雷诺数、导流筒直径、离底距离、静液位高度以及釜内换热列管对循环流量的影响.1 实验部分1.1 实验装置1.1.1 搅拌桨实验所用的桨型:①为5叶下压式的简易型轴流桨;②为5叶CBY桨;③为5直叶透平桨,分别如图1(a),1(b),1(c)所示.图1 搅拌桨示意图Fig.1 Sch ematics of impeller收稿日期:2001-12-13 基金项目:部级基金资助项目 作者简介:肖建军(1972-),男,硕士生.从事专业:化学工程.(a)(b)图2 桨①及桨②的叶片正视图Fig .2 Fron t view of blade of th e impeller ①and ②浆①是工业用浆,其叶片结构为三折叶,叶片的安装角度为U (见图2(a )),且叶片端部与叶片根部的角度一致;桨②为北京化工大学专利桨,叶片与流体的作用面为平滑的曲面,叶片的根部安装角为Ua (见图2(b )),且沿着叶片半径方向向外角度逐渐减小,叶片的端部角度为U t (U t <U a ).平桨③的叶片宽度为40m m,该桨的特点是能在槽内产生较大的径向流动,因此一般将其置于导流筒下沿外端,以增大导流筒出口处的径向流动,从而加大槽内的循环流量.图3 列管换热器示意图Fig .3 Tubular h eat exch ang er 1.1.2 搅拌槽及其内构件 在直径d 为0.5m 和0.8m 的搅拌槽中采用单层桨(即①和②)和双层桨组合(即①+③和②+③)进行研究.③桨作为底层桨,两层桨层间距分别为0.162m (在0.8m 的搅拌槽中)和0.101m (在0.5m 的搅拌槽中),搅拌桨直径D 为导流筒直径d 1的94%.釜内安装4块挡板,挡板宽度为完全挡板(即0.1d );导流筒内安装5块挡板,挡板宽度为1/3d 1.搅拌槽的内部构件尺寸如表1所示.在导流筒和槽壁间装有垂直列管式换热器,工业用列管式换热器的管内是反应物,管间为加热介质.在冷模实验中,采用自来水模拟反应物,管间没有物料.列管式换热器的结构如图3所示.实验所用的介质为水,温度约为(23±5°)℃.表1 实验所用搅拌槽及其构件的尺寸T ab .1 Structural parameters of agitating tank and its compon ents 槽直径d /mm500800导流筒直径d 1/mm182170154285离底距离△C /m m 927252108液位高度H /mm 4615807208001.2 循环流量测量方法循环流量的测量方法可分为接触法和非接触法[3].由于要在导流筒和槽壁间设置列管式换热器,因1-搅拌槽;2-挡板;3-列管换热器;4-导流筒;5-桨叶;6-冰点;7-热电偶探针图4 实验系统装置图Fig .4 The experimen tal sys tem 此可选用热电偶法,该法精度较高,热电动势便于记录、处理.采用热电偶法测量流体的速度时,由于热电偶探头由多个热电偶探针串联而成,探头的体积较大(最大外径约为8m m ),这样测量的速度值相对于流体的真实速度会偏小.用桨①+③在槽径为0.8m且无列管的情况下,在不同的液位高度对用数小球法测得的流量准数值对热电偶法测得循环流量准数值进行标定,结果如表2所示.由表2可见,由于热电偶法测量流体速度时,探头的存在决定了其测得的速度偏小,因此在计算循环流量准数时应补充校正偏差才为流体的真实的流量准数(表2中,校正系数k =N q c (小球法)/N q c (热电偶法))表2 标定结果Tab .2 Calib ration data 液位/mmN q c (数小球法)Nq c (热电偶法)校正系数5800.780.63 1.2387200.7060.57 1.238 所用热电偶温差法的装置如图4所示.实验时,在液面上方瞬间加入约400m L 温度为(95±5)°C 的热水,当热流体流经两平行于搅26华 北 工 学 院 学 报2002年第1期拌轴热电偶探针时,热电偶探针先后感应温度的变化,同时记录两热电偶探针的响应信号,把温度信号通过PCLD 转换为电动势信号再通过PCL 放大器放大输入给A /D 板,并输入计算机,最后由计算机完成数据的记录和存储,绘制出电压变化与时间(ΔU -t )图.由两探头突变点的先后可读出流体经过两探头的时间差(数据采集曲线如图5所示).两探头间的距离已知,可计算出流体流过两探头的平均流动速度.沿径向移动探头的位置,可测量出导流筒内沿半径方向流体的速度分布(假设导流筒内的速度分布呈轴对称),依据速度分布曲线积分计算出循环流量.实验选用E 型热电偶.为增加信号的变化幅度和抗干扰能力,实验中采用了几支由热电偶串联组成的热电偶堆.2 实验结果与分析2.1 叶轮雷诺数对循环流量准数的影响用桨②在槽直径为0.8m ,导流筒直径为0.285m ,液位高度为0.72m ,在装有列管式换热器的条件下,测试了不同叶轮雷诺数对循环流量准数的影响.在本实验条件内,最小叶轮雷诺数Re =9.4×106,远远大于1000,流体处于完全湍流区,如图6所示.在实验研究的范围内,循环流量准数Nq c 相对于叶轮雷诺数Re 变化不大.这说明在装有列管的导流筒—搅拌槽体系,在完全湍流区内叶轮雷诺数对循环流量准数基本无影响.这与永田进治[4]等人在不带导流筒的搅拌槽内得到的结论:“在完全湍流区,叶轮雷诺数对循环流量准数无影响或影响不大”是一致的.图5 数据采集曲线Fig .5 Typical sig nal of th edata 图6 雷诺数对循环流量准数的影响Fig .6 Influence of Renolds number on circulation number2.2 导流筒直径的影响在实际的化工生产中,搅拌槽中导流筒的直径一般宜取槽直径的20%～40%[2],作者研究的导流筒的直径也选取在该范围之内.在槽径d =0.5m ,d 1/d 分别为0.36,0.34,0.31,当叶轮直径与导流筒直径之比一定时,对几何相似的单层桨研究了D /d 对流量准数N q c 的影响如图7所示.在无导流筒的搅拌槽体系中,流量准数与D /d 的关系[6]为:N q c ∝(D /d )2.5.在实验范围内,由图7可见,D /d 对循环流量准数的影响很小.这是因为在导流筒—搅拌槽体系中D /d 1恒定,就相当于在无导流筒的搅拌槽内D /d 恒定.因此,根据几何相似的原则,循环流量准数不变.当D /d 1不恒定时,有待于进一步试验研究.2.3 导流筒下端离底距离对循环流量的影响作者在直径为0.5m 的搅拌槽内,对d 1/d 为0.36的导流筒在静液位高度为461m m 的情况下,通过将导流筒上提研究了导流筒下端距槽底的离底距离分别为52m m ,72m m ,92m m 对循环流量的影响.由图8可见,在实验研究的离底距离范围内,对于同一导流筒直径、同一液位高度的情况下,随着离底距离的增加循环流量也增加.对数据进行指数回归可得出,导流筒离底距离与循环流量的关系为:Q ∝ΔC 0.37.Cliff [5]等的研究表明,导流筒位置是影响装置性能的重要因素.在ΔC =0时,由于循环路径堵塞,导致循环流量为0;在ΔC 逐渐增大时,即导流筒下端距离槽底距离越大时,导流筒出口转弯处局部27(总第81期)带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究(肖建军等)阻力变小,与轴流泵类似,这将导致装置泵性能大大提高,使得在相同的功率消耗下,循环流量相应地增加;当导流筒离底距离达到一定的高度时,循环流量将保持不变.在该实验范围内,由于实验点相对较少,且恰好处于上升趋势内,故而随着导流筒的离底距离增大,循环流量也增大.这与程大壮[1]所得的结论是一致的.图7 导流筒直径对流量准数的影响Fig .7 Influence of diam eter of d raft -tube on circulation number 图8 导流筒下端离底距离对循环流量准数的影响Fig .8 Influ ence of clearance between draft -tu be and the bo ttom of tank on circulation number2.4 静液位高度对循环流量的影响作者分别对桨①,桨②与桨③的组合在580mm ,720mm ,800m m 3个液位的条件下进行了实验测试,得出了静液位高度对循环流量的影响,如图9所示.由图9可见,在本文研究的范围内,①+③与②+③的循环流量和液位高度的关系分别为Nq \-c ∝(H /d )-0.1和Nq c ∝(H /d )-0.18.可见,随着液位的升高,循环流量略有减小.但在工业应用中,液位对循环流量准数的影响可以忽略.这说明该结果与文献[1]的研究结果一致.2.5 列管式换热器对循环流量的影响为了研究列管数目对循环流量的影响,作者对①+③组合在相同转速,只改变列管数目即改变导流筒外壁与槽壁间列管换热器的流通面积的情况下进行了测量,测得的循环流量的变化如图10所示.图9 静液位高度对循环流量准数的影响Fig .9 Influence of l iquid level on circulation number 图10 列管开孔率对循环流量准数的影响Fig .10 Influence of circulating area on circulation num ber 从图10可以看出,在搅拌槽内加列管式换热器增加了流体的流动阻力,在转速相同的条件下,随着流通截面积的减小,循环流量明显降低,当开孔率(S i /S c )接近0时,循环流量准数应为0;当导流筒与槽壁间没有设置列管式换热器,即开孔率为1时,循环流量远远大于有列管式换热器时的流量.由于工业中常用的开孔率在0.08～0.2之间,因此作者由实验数据可回归出,在此区间循环流量与流通截面积的关系为:Q ∝S i 0.46,这主要是由于叶轮对流体所做的功大部分用于流体流动阻力的消耗上,由此导致循环流量大大降低.28华 北 工 学 院 学 报2002年第1期2.6 桨型对循环流量的影响Oldshue [2]指出,带导流筒的搅拌槽具有与轴流泵类似的特性,因此在带导流筒的搅拌槽中,为了获得较大的循环流量应选用速度分布相对平坦的叶轮型式.为了验证桨②在导流筒中应用比桨①更具优越性,作者实验研究了两种桨型沿径向的轴向速度分布,结果表明:桨②的速度分布相对于桨①其分布平坦,且在相同的功耗下,其速度值大于桨①的速度值.所以在相同的功耗下,桨②比桨①具有更大的循环流量.为了研究桨型对循环流量的影响规律,作者分别对如表3所示的3种组合进行了研究.即在相同输入功率、无列管换热器的情况下对①与①+③进行实验测试和比较;相同输入功率,有列管换热器时,①与②的比较;以及在相同输入功率,有列管换热器时,①+③与②+③分别进行了对比.为便于比较,作者均以3组中各组中流量较小的为1,进而比较Q /Q min ,3种比较的结果见表 3.表3 不同桨型Q /Q min 的比较Tab .3 Q /Q min of the different type of impeller 桨型对比①与①+③①与②①+③与②+③桨 型①①+③①②①+③②+③流通面积/m 20.7850.7850.07230.07230.07230.0723Q /Q min 1.0 1.167 1.0 1.231 1.0 1.191 由表3可以看出,在相同的输入功率,无列管换热器的情况下,①+③双层桨组合的循环流量比①的单层桨的循环流量高16.7%.可见,目前工业用桨,双层桨的组合优于单层桨的混合效果.在相同的输入功率,有列管换热器的情况下,新开发的CBY 桨与原工业桨相比,循环流量提高.对于单层桨,CBY 桨的循环流量比原工业用桨提高了23.1%;对于双层桨,②+③的循环流量比①+③的流量提高了19.1%.这主要是由于CBY 桨的轴流效果比现在工业用的简易轴流桨好.参考文献:[1] 程大壮.对带导流筒内循环流量的研究[D ].北京:北京化工大学,1985.6～11.[2] O ldshue 编著;王瑛琛译.流体混合技术[M ].北京:化学工业出版社,1991,302～316.[3] 徐世艾,冯连芳,顾雪萍等.搅拌釜中自浮颗粒三相体系的混合时间[J].高校化学工程学报,2000,(4):328～333.[4] 永田进治编著;马继禹译.混合原理与应用[M ].北京:化学工业出版社,1984.123～127.[5] Cliff M H ,Edw ards M E ,Onieri I .M ix ing cha racteristics of a sti rred reacto r w ith an axial flo w im pelle r [J ].Proc .Co nf .O n Fliud M ixing ,1981,(64):1～11.[6] 丁绪淮,周理.液体搅拌[M ].北京:化学工业出版社,1983.25～33.Experimental Study on Circulating Fluxin a Stirred Tank with Draft-tube XIAO J ia n-jun,BAO Yu-y un,HU AN G Xiong -bin,S HI Li-tian(Chemica l Enginee ring Co lleg e,Beijing Univ ersity o f Chemica l T echnolog y ,Beijing 100029,China)Abstract :Aim To find out the facto rs w hich affect the circula ting flux in an agita ted ta nkwith draft-tube,and optimize the type of impeller.Methods The effects of impeller types,the Renolds number of impeller ,diameter of draft -tube ,clearance betw een draft -tube andthe bo ttom of tank,liquid heigh t,the tube numbers and the circulatio n area on the circula-tion flux w ere sy stem atically inv estiga ted by therm o-tracing system in a flat bottomed cylin-drical v essel of 0.5m and 0.8m in diam eter,equipped with a draft-tube and modeling heatex chang e tubes .Results and Conclusion A new ty pe im peller w hich ca n im prov e the circu-la tion flux in agitating ta nk is ex ploited.The effects o f the different structure parameters onthe circulatio n number are show n.Key words :draft -tube ;circulatio n flux ;impeller 29(总第81期)带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究(肖建军等)。
板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性
轴向循环流动 ， 从而使混合效果大大增强。作者
采用 相位 多普勒 粒子 分 析仪 （ Ｄ Ａ） 量 板 式螺 ＰＰ 测
旋 桨搅拌槽 内挡 板 前 流场 ， 其 流 动特 性 进 行研 对
图 １ 搅拌槽示意
Ｆｉ ． Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｉｇ ａ ｏ ｔ ｒｄ ｔ ｎ ｇ１ ｃ ｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｓｉ ｅ ａ ｋ ｃ ｒ
究 ， 考察 叶轮 离底 间 隙 变化 和 挡板 对 流 场 速度 并 和湍 流动能 的影 响 ； 为搅 拌 槽 内的混 合 性 能研 究
１ 一方形槽 ；一挡板 ；一搅拌槽 ；一搅拌器 ２ ３ ４
及工业放大设计、 流场的数值模拟提供参考。
１ 实 验
１ １ 实验装 置 ．
用 于测试 的搅拌槽 装置 如 图 １所示 。搅拌 槽 为平底 圆筒形 ， 径 （ ） ３０ｍｍ， 壁 均 布 ４ 直 为 ０ 槽
由 图 ４可看 出 ， 叶上端 面切 向速度 （Ｕ） 桨 分 布较平 坦 ， 均值 在 ００ 。以下 ， 平 ．５ 远小 于桨 叶下 端 面 的 ， 因此 ， 轮 排 出 流 的 旋 转 程 度 比吸入 叶 流 强 。在 叶轮 以下 ， ｒ 随 的增 大 ， 快 速 增 长 ， 在 叶端附 近达 到极大值 ， 随后快速 衰减 。同时 ， 随离
动； 主循环区轴向速度最 大值随离底间隙增大而减小 ； 叶轮区湍流动能较高 ， 随离底 间隙增大 ， 湍流动能最大 值增 大， 位置靠近叶轮端部 ； 挡板阻碍槽 内切 向流动 ， 影响湍流动能 的分布 ， 挡板前流场反映 了叶轮区的湍流
动能分布。
关键词 ： 搅拌槽 板式螺旋桨 流场 相位多普勒粒子分析仪 流动性能
图 ２ ＨＸ搅拌器结 构 Ｚ
Ｆ ｇ ２ Ｓ ｈ ｍａｉ ｉ ｇ ａ ｏ ＨＸ ｔｒ ｒｓｒ ｃｕ ｅ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆＺ ｃ ｓｉｒ ｔｕ ｔ ｒ ｅ
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学生毕业设计（论文）题目桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响作者院(系)专业指导教师答辩日期年月日榆林学院毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名:年月日摘要搅拌设备在化工、生物、制药、材料加工以及食品加工等领域中有着非常广泛的应用，尤其是在石油化工生产中用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应等。
搅拌操作是工业反应过程中的重要环节，在促进槽内物料流动，使搅拌槽内物料均匀分布的同时，能够增大传热和传质系数，加速反应的进行。
论文采用计算流体动力学(CFD)技术对搅拌槽内的流动场进行了数值模拟，研究了6DT、6PDTU及6PDTD三种搅拌桨在桨叶高度为100mm、130mm、170mm 时搅拌槽内流体的流场特性。
结果表明：（1）对于三种桨叶，搅拌槽内均形成两个漩涡，且随着桨叶高度的增加，上下漩涡的分界面上移，上部漩涡变小，下部漩涡增大；（2）对于三种桨叶，随着桨叶高度的增加，搅拌槽内湍流区域增大，整体混合效果更好。
(3) 对于三种桨叶，随着桨叶高度的增加，所需搅拌功率下降，说明桨叶高度越高，流体在流动过程中的能量损失越小。
关键词：搅拌槽；计算流体动力学；桨叶高度；流动场；搅拌功率Numerical Analysis of the Flow Field of Stirred Tank withDifferent Impeller HeightABSTRACTStirring equipments are widely applied in chemical industry, biological engineering, pharmaceutical engineering, materials processing, food processing, etc. Especially, they are used for materials mixing, dissolving, heat transferring, preparation of suspension and polymerization reactions in the petrochemical production.Stirring operation is an important part of the industry reaction process, it can promote the flowing of materials and make materials distributing evenly in the stirred tank. At the same time, it can increase the efficient of heat and mass transfer and accelerate the reaction.The internal flow field of a stirred tank has been simulated numerically by utilizing Computational Fluid Dynamics(CFD), the flow characteristics of three different impeller which are 6DT, 6PDTU and 6PDTD is researched when the impeller height is 100 mm,130 mm and 170 mm.The Results show that: (1)As for the three impeller, two vortexes are formed in the stirred tank. With the increase of the impeller height, the range of the upper swirl becomes smaller, while the range of the lower swirl becomes larger.(2)As for the three impeller, with the increase of the impeller height, the turbulent region becomes larger, and it is more helpful for mixing.(3)As for the three impeller, with the increase of the impeller height, the power consumption of the stirred tank decreases.Key words: stirred tank; Computational Fluid Dynamics; impeller height; flow field; mixing power目录第一章前言 (1)第二章搅拌槽内流体流动的研究现状 (2)2.1搅拌槽内流体流动的实验研究 (2)2.2搅拌槽内流体流动的数值模拟 (3)2.3搅拌槽实验研究与数值模拟的结合 (4)第三章研究目的、内容和方法 (5)3.1研究目的 (5)3.2研究内容 (5)3.3研究方法 (5)3.3.1计算流体力学 (5)3.3.2 CFD软件结构 (6)3.3.3 CFD模拟技术 (6)3.3.4计算流体动力学的工作步骤 (7)第四章搅拌槽内单相流动的数值模拟 (8)4.1模拟计算的前处理 (8)4.1.1建立几何模型 (8)4.1.2 划分网格 (9)4.1.3 确定边界条件 (10)4.1.4 湍流模型 (10)4.1.5 设定收敛残差 (10)4.1.6设定时间步长 (10)4.1.7迭代计算 (11)4.2搅拌槽内流动场的数值模拟 (11)4.2.1 6DT桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟 (11)4.2..2 6PDTU桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟 (12)4.2.3 6PDTD桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟 (13)4.3搅拌功率P和功率准数N p的比较 (15)4.4小结 (16)第五章总结与展望 (17)5.1总结 (17)5.2展望 (17)参考文献 (18)致谢 (19)第一章前言搅拌槽是一种带有叶片的轴在圆筒或槽中旋转，将多种原料进行搅拌混合，使之成为一种混合物或适宜粘度的设备，其广泛应用于化工、食品、冶金、造字、石油和水处理等过程中，并且在工业过程中起着非常重要的作用。
搅拌混合是化工行业最古老、最常规的单元操作。
槽内流场直观的描述了槽内流体流动的基本特性，是更近一步研究槽内传质、传热、混合以及制备乳液、悬浮液的基本依据。
搅拌槽内流场具有三维和高度不确定的随机湍流特点，影响因素多，理论分析难度大，实验测量和数值模拟是取得槽内流场详尽信息的两种重要手段。
对搅拌槽内流动场的深入研究，会将槽内的混合技术推向一个更理性的高度，也提高了搅拌槽工程设计的可靠性[1]。
随着计算机技术和计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)的快速发展，对搅拌槽内流动场进行数值模拟的研究工作在近几年迅速发展起来。
其具有实验测量不可比拟的优势，逐渐成为科学研究的重要手段。
利用CFD对搅拌槽进行数值模拟，在时间和空间上定量描述流体流动、传热及相关物理现象的数值解，具有理论性和实践性的双重特征。
利用CFD对搅拌槽进行数值模拟，可以使槽内的实际现象可视化，人们可以直观的了解槽内的混合情况，消除存在的问题，对搅拌槽进行结构优化设计，在获得实验手段不能得到的数据的同时，大大节省了研究经费，为新型高效搅拌设备的研究开辟了一个新途径。
本文借助Ansys Workbench平台，利用流体分析软件CFD实现桨叶高度对搅拌槽内流动场影响的数值模拟。
利用数值模拟的灵活性、可重复性、低成本的特点，通过改变搅拌槽桨叶高度，得到各不同高度对搅拌槽内流动场的影响规律，为实验研究奠定一定的基础，对提高搅拌槽的工作效率具有一定的指导作用。
第二章搅拌槽内流体流动的研究现状对搅拌槽内流动特性的研究是从实验研究和数值模拟两个方面进行的。
2.1 搅拌槽内流体流动的实验研究实验研究方面，早期主要是采用毕托管、纹影照相和热膜风速仪，而现在的测试手段主要是激光多普勒测速仪以及PIV等。
早期的研究者由于测试仪器的落后，所得到的实验结果存在较大差异。
随着测试技术的发展，特别是激光多普勒测速的不断完善，对搅拌槽内流动特性的研究逐渐深入，所得的研究结果也逐渐趋向一致。
搅拌槽内部流动场是极其复杂的随机三维流动，搅拌桨在槽内造成的流动形式，对固体小颗粒、液体、气体的混合，气体的溶解及热量的传递有重要的影响。
采用圆柱坐标系将这种流动分解成径向流、轴向流和混合流，对应的搅拌桨即分为径向流搅拌桨、轴向流搅拌桨和混合流搅拌桨。
典型的径向流搅拌桨是RUSHTON桨，其流型如图2-1所示。
在桨叶作用下，流体在叶轮出口处产生强烈的径向运动，流体碰到槽壁后分为上下两股，向上流动的流体到达液面后和向下流动的流体到达槽底后，分别沿着搅拌轴再次返回到桨叶区，如此在槽的底部和上部形成两个循环区。
对于所有的径向流搅拌桨来说，圆盘是产生径向流的主要原因。
对于轴向流搅拌桨，流体在桨叶的作用下，先向下流动，碰到槽底后转向沿槽壁向上流动，到达液面后，再沿轴向向下流回桨叶区，形成简单的“单循环”流动形式，其流型如图2-2所示。
流体对桨叶产生的升力的反作用力是形成轴向流的主要原因。
在工程实际中，径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨各有优势和缺点，其各自使用的场合也大不相同。
径向流搅拌桨能够在桨叶末端产生很强的剪切作用，易形成湍流流动，有利于各相的均匀混合，但是它把搅拌槽内的介质分为以搅拌桨为界的上下两个循环区，使搅拌槽的整体循环混合效果变差。
轴向流搅拌桨可使流体产生较强的轴向流动，整体循环能力强，但剪切能力较弱，局部混合效果较差。
斜叶搅拌桨是一种介于径向流和轴向流之间的搅拌桨，它所产生的流动有时类似轴向流，有时又类似径向流。
国内外学者对搅拌槽进行了广泛的实验研究。
Costes等[2]研究了Rushton桨搅拌槽内的平均流场和湍流特性，通过分析挡板所在平面和相邻两挡板中间平面处的速度矢量图，得出在高雷诺数下，槽内无因次的平均速度和脉动速度的分布几乎与雷诺数无关。