鱼尾形桨叶用于龙卷流型搅拌反应器的性能研究.pdf

《鱼尾形桨叶用于龙卷流型搅拌反应器的性能研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、792化工机械2013年鱼尾形桨叶用于龙卷流型搅拌反应器的性能研究。白飞龙1．·郝惠娣2(1．西安交通大学能动学院；2．西北大学化工学院)摘要介绍了一种新型、高效、节能的鱼尾形搅拌桨叶应用于龙卷流型搅拌槽中的组合反应器。龙卷流型搅拌设备兼有径向流和轴向流搅拌的特点，其最大的优势在于可以用较低的成本解决目前存在的一些高密度或高浓度固体颗粒悬浮操作技术上的难题。基于此，提出了对这种搅拌式反应器进行更进一步改进的方案。利用CFD技术对鱼尾不同的张开角度和挡板偏移条件进行了模拟，得到了尺寸优化的鱼尾形搅拌反应器结构。关键词搅拌反应器鱼尾形搅拌菜中心龙卷流CFD模拟中图分类号TQ051．7+2文献标

2、识码A文章编号0254-6094(2013)06-0792-05目前已有多种形式的反应器用于生化反应的流体混合中，其中机械搅拌式反应器因其结构多样、操作范围广，在生物技术实验室和工业生产领域中占据着主导地位。然而，这并不能说明传统的机械搅拌式生物反应器就是混合性能最优的生物反应器。随着反应器规模的增大，各相间混合不均匀问题逐渐显现，且愈演愈烈。近年来，随着计算机技术、数理方法和流体力学的发展，出现了一门新的交叉学科，即计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)，CFD技术为解决上述问题提供了新的思路和方法，它具有成本低廉、可供引用的流体模型丰富和计算精度高

3、(在残差表现为收敛的情况下)的优点⋯，且对实际结构的改进具有重要的指导意义。笔者利用CFD软件对鱼尾形搅拌反应器进行了单相流模拟，定性地分析30、37、450鱼尾形搅拌器内流场情况，并且比较了3种角度的搅拌器的搅拌效果。1搅拌器CFX前处理1．1几何模型的建立根据标准的生物搅拌反应器的结构，笔者选择了内径为300mm的圆柱形反应器，其筒身高度为400mm，筒体壁厚为2ram，内部填充液体高度为300mm。选择液面以下1／3处安装叶轮，即离底部200mm处；底部的引流板均为加高型，其高度为20mm，厚度为4mm，这样有助于流体的压缩流动增强；周围的挡板结构为竖直挡板，厚度为12mm，拉伸高度

4、为280mm，刚好至液面处，可以有效地抑制液面下凹现象，以防影响固液混合效果。1．2网格划分在计算的过程中，由于搅拌桨叶的远近两个区域对计算结果的精度要求和划分的网格密度不同，因此将整个流体分成动区域和静区域两部分，利用多重参考系法(MRF)对搅拌反应器内的两相流场进行分析心]。其中动区域采用旋转坐标系，静区域采用静止坐标系。采用非结构四面体网络对网格数量进行优化，得到网格无关解"1。因为内部动区域和外部静区域存在明显的过渡层，所以采用Inflation的方法对这一过渡层进行网格的膨胀划分，这种方法使静区域外沿和壁面处的速度梯度变化不至于}陕西省工业攻关项目(2011K10-21)和陕西省

5、教育厅专项基金项目(11JK0619)。··白龙飞，男，1994年7月生，硕士研究生。陕西省西安市，710049。第40卷第6期化工机械793太大‘2

6、。内外区域的基本尺寸为：外部静区域为18mm，内部动区域为15mm；动区域的过渡比率a．外部静区域50舯c．转子为0．77，过渡层数为3，增长比率为1．2；静区域的过渡比率为0．25，过渡层数为5，增长比率为1．2。标准反应器的网格划分如图1所示。内部动区域d．挡板图1标准反应器的网格划分1；3边界条件对流体边界和其他条件进行设置：流体为水，流体模拟温度设为25。C；模拟时先在网格划分空间内进行面的命名设置H’5]，6个面分别设为ro—ta

7、teoutside，rotateinside，freewall，staticoutside?staticinside和rotwall；在setup中设置面边界条件，rotateoutside与staticinside面为连接面_十GGI模型一质量传递模型"1，freewall为opening，其余的面类型均为wall类型，注意要在rotateinside处定义转子转速，并且rotwall处转速为400r／min，接触面为旋转wall，转速类型设置为rotate。1．4计算方法选择半隐式SIMPLE方法进行方程求解¨1，解的要求是尽量使每一步的求解都收敛"。，即模型求解时要求最终结果残差采用

8、均方根小于0．0l‰。2流场数值模拟分析笔者建立的3种不同张开角度的鱼尾形搅拌桨叶的几何模型如图2所示。7942013正(45。图2鱼尾形搅拌桨叶的几何模型对上述3种桨叶进行模拟，不同搅拌桨叶的速度分布云图如图3所示。001∞n∞Otmc．45o图3不同角度搅拌桨叶的速度分布云图由图3可知整个搅拌器搅拌均匀，尤其是搅拌器下部，速度基本分布在等值线2、3、4之间。在搅拌反应器中，3种角度下的速度分布比较相似，其中370时其