新型机械搅拌槽中多相流动的物理与数值模拟

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文新型机械搅拌槽中多相流动的物理与数值模拟作者姓名：赵洪亮指导教师：顾松青教授、张廷安教授东北大学材料与冶金学院申请学位级别：博士学科类别：工学学科专业名称：有色金属冶金论文提交日期：2014年3月论文答辩日期：2014年4月习日学位授予日期：答辩委员会主席：关免L鼓评阅人：东北大学2014年4月万方数据PhysicalandNumericalSimulationsofMultiphaseFlowinaNewTypeofMechani．calstirredTank＼愀㈣byHongliangZhaoSupervisor：Prof．Song

2、qingGuandProf．Ting’anZhangNortheasternUniversityApril2014万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：／趣钞％于‘阻p匕人I卜侣亚佃：／缈刀穸丫，t／日期：列乒．如船学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保

3、留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年口学位论文作者签名：赵纠沈签字日期：列9、矽．2∥导师签名：签字日期：万方数据东北大学博士学位论文摘要新型机械搅拌槽中多相流动的物理与数值模拟摘要铝酸钠溶液的晶种分解是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一，它不仅影响产品氧化铝的数量和质量，而且直接影响循环效率及其他工序。深入了解种分槽内液固多相体系的流体流动状态、液固混合、颗粒悬浮规律以及能耗情况等，对改进种分

4、槽内部结构、解决槽底沉积问题、提高氧化铝产量与质量，以及促进氧化铝工业技术进步都具有重要的理论和实际意义。工业上一种新型改进Intermig搅拌桨被广泛应用于南径14米、高30米大型平底机械搅拌品种分解槽中。本文以改进Intermig桨种分槽为原型，通过水模型实验、数值模拟和因次分析方法对高固含液．固搅拌体系展开了深入系统的研究，并在实验研究的基础上寻求了设备性能的放大规律，对现有工艺中存在的不足做了优化，改进后分解槽的搅拌性能大大提升。通过对高固含液．固搅拌槽的水模型实验发现，较低的桨叶离底距离(C／T=O．024)有利于促进颗粒的悬浮与均匀分析j，桨叶离底距离过大

5、，无法形成大范围的二次环流，使混合效果下降，同时桨叶离底距离对搅拌功率影响较小；新型改进Intermig桨适合在较大的D／T下应用，桨径增加的同时，町以大大降低使颗粒均匀分布所需要的搅拌转速，抵消了因扩大桨径增加的功耗，更适合应用于实际生产，本研究中得到最佳D／T比为0．715；对模型进行三级放大后，相同条件下颗粒的悬浮与分布均得到较大改善。并且得到颗粒的均匀度主要与弗鲁德准数有关，新型改进Intremig桨具有较小的功率准数，介于0．3～0．4之问；对于双层桨搅拌体系下，最佳的桨叶层间距应介于L／D=I～1．5，这样既可以保证整个槽内都得到充分的混合，又叮以避免桨叶

6、之问距离过大，导致二次循环流脱节。在相同条件下，底层改进桨功率消耗约为上层原始桨的1．4倍。采用欧拉多相流模型耦合标准肛￡湍流模型，非稳态滑移网格方法对液．固搅拌槽内液固混合、颗粒悬浮以及能耗等进行了三维数值模拟。确定了满足时间和空间独立性的网格条件与时间步长；对不同桨叶离底距离、桨径和搅拌转速下的搅拌效果作了数值模拟，通过与同条件下实验结果进行对比，二者吻合较好，验证了模拟方法的可靠性；增大液相粘度和固含有利于促进流体的轴向混合，但功耗也会随之增加，且固含过大会导致槽底颗粒沉积；与标准Intermig桨相比，改进Intermig桨在促进固体均匀混合、悬浮的同时功耗节

7、省了20％；主桨叶叶片对功率消耗影响相对较小，最佳叶片倾斜角度为45度，辅桨叶叶片对功率影响较大，最佳叶片倾斜角度为30度。万方数据东北大学博士学位论文摘要通过对底部均匀度的因次分析发现底部均匀度主要受弗鲁德准数影响，且放大前后槽底部均匀度满足Q=0．57Fr-0’34，计算结果与实验结果误差在5％以内；通过对功率的因次分析发现功率准数主要受搅拌雷诺数影响，且放大前后搅拌功率满足P=505n2’81D462，计算结果与实验结果误差在8％以内；通过对临界悬浮转速的计算发现放大前后搅拌桨临界悬浮转速与缩放系数关系遵循N加=N舯，7m868，根据此公式计算