探究搅拌釜式反应器计算流体力学模拟

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1、江南大学硕士学位论文搅拌釜式反应器计算流体力学模拟姓名：温文申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：倪邦庆20080701摘要搅拌设备在化工、食品、冶金、造纸、石油和水处理等行业中被广泛应用。尤其是在化学工业中，搅拌釜式反应器是化工生产中应用最为广泛的反应器之一。目前对其虽然己有许多的实验和理论研究，但有关的理论及设计计算方法仍不完善，半经验的方法依然是工业过程中设计和放大的主要方法，需要大量的实验数据和数学模型来描述反应器中的流体运动情况。近年来，计算流体力学(CFD)方法用于研究搅拌釜式生物反应器内的流动和混合特性，可以节省大量的时间以及人

2、力物力，显示出卓越的优势，对未来搅拌釜的研究、开发与设计所产生的影响不可估量。本文首先利用商业CFD软件FLUENT对搅拌釜配置单六直叶圆盘涡轮搅拌器的三维流动场进行了详细的数值研究。作为基础研究，通过模拟发现：标准的缸s模型在速度场的模拟时，其流动情况基本与实际相符合；搅拌桨周围流体主要是径向运动，为涡轮搅拌器处理气一液两相能获得较好效果提供了理论依据：搅拌桨上下分布着两个流体环，但是速度的大小相对于实际值偏小；对搅拌釜内湍流情况的模拟表明，湍动能与湍流强度分布一致，主要集中在搅拌桨区和桨尾流区，80％的能量耗散率集中在搅拌桨及其尾流区。通过对

3、六直叶圆盘涡轮搅拌釜反应器内气一液两相流场的三维模拟，研究发现：两相流中液相呈双流体环流型，搅拌桨上方流体环因气体的出现而增大；气体的分布情况被较好的再现，径向分布良好，由此说明六直叶圆盘涡轮适宜处理气液反应，具有较长的停留时间；湍动能主要集中在搅拌桨区域和气体进口区域。通过对搅拌釜的双层六直叶圆盘涡轮以及不同型式涡轮组合的模拟研究发现：四叶开式斜桨涡轮周围只有一个流体环，结果基本与理论相符；对两种不同的双层桨搅拌釜的混合时间的模拟研究发现：在加料点相同的情况下，双层组合桨搅拌釜内轴向混合情况要优于双层直叶圆盘涡轮桨搅拌釜，这为处理高径比大的气液

4、反应器提供了一种较好的搅拌器组合型式。关键词：计算流体力学；搅拌釜式反应器；标准抽模型；气一液两相流场；混合时间AbstractStirredequipmentiswidelyusedinchemical，food，metallurgy，papermaking，oilandwatertreatingindustry，especiallyinchemicalindustry，stirredtankreactorisoneofthemostwidelyusedreactorintheproductionofchemicalindustry．Altho

5、ughtherearelotsoftheoreticalandexperimentalstudy，thestudyofmixinganddesignmethodsarenotdevelopedwelluptonow．Thesemiempiricalmethodsarestillthemaintoolsfordesignandscale-upindustryprocesses．Tomeetthepurposeforoptimaldesign，scale—upandfullyunderstandtheprocessesoccurringinstirr

6、edtankreactor,thereareneedsforabundantexperimentalmeasurementsandmathematicalmodelstomeasureanddescribethecharacteristicsofflowinsuchreactors．Recentlyyears，ComputationalFluidDynamics(CFD)isusedinthestudyofflowandmixingcharacteristicsinstirredtankreactor，itcallsavemuchtimeandr

7、esource，itshowsgreatadvantage，itwillhavegreatinfluenceinthestudy，exploitationanddesignofthestirredtankreactor．Inthisstudy，basedonthefunctionprovidedbythecommercialCFDsoftware(Fluent)，three—dimensionalflowfieldsarecarefullystudied．Itisfoundthattheresultsofflowfieldusingstandar

8、dk-eturbulentmodelareingoodagreementwimthefact；theliquidmoundtheimpe