试析涡轮桨搅拌槽内流动特性的实验研究和数值模拟

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1、北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交

2、沦文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位沦文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：导师签名：日期：2回：6：笸日期：；塑：』．!学位论文数据集fIIIIIIIllfllllllIII{Y1810743中图分类号TQ027．2学科分类号530．11论文编号1001020070004密级公开学位授予单位代码10010学

3、位授予单位名称北京化工大学作者姓名李志鹏学号2004080004获学位专业名称化学工程获学位专业代码081701课题来源国家自然科学基金研究方向流体混合与反应器工程论文题目涡轮桨搅拌槽内流动特性的实验研究和数值模拟关键词流动特性，PIV，大涡模拟，CFD，涡轮桨，搅拌槽论文答辩日期2007年6月6日·论文类型基础研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名职称工作单位学科专长指导教师高正明教授北京化工大学化学工程评阅人1盲评1评阅人2盲评2评阅人3盲评3评阅人4盲评4评阅人5盲评5答辩委员会主席毛在砂研究员

4、中国科学院过程所化学工程答辩委员1王运东教授清华大学化学工程答辩委员2张泽廷教授北京化工大学化学工程答辩委员3屈一新教授北京化工大学化学工程答辩委员4刘辉教授北京化工大学化学工程答辩委员5注：一．论文类型：1．基础研究2．应用研究3．开发研究4．其它二．中图分类号在((中国图书资料分类法》查询。三．学科分类号在中华人民共和国国家标准(GB／T13745-9)《学科分类与代码》中查询。四．论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。北京化工大学博士学位论文涡轮桨搅拌槽内流动特性的实验研究和数值模拟摘要

5、涡轮桨搅拌槽广泛应用于化工、生物、食品和制药等工业过程，其内部的流动特性对工业设计及优化具有重要影响。因此，本文从PIV测量和CFD数值模拟两方面对多种桨叶及流型下搅拌槽的流动特性进行深入研究，为其应用基础研究及优化设计提供指导和参考。本文在直径为0．476m的平底有机玻璃搅拌槽内，保证液位高与槽直径相等，利用相位解析的高分辨率PIV测试技术，对多种复杂流型下桨叶的尾涡结构、平均速度、脉动速度和湍流动能进行实验研究。其中Rushton涡轮桨的各流型通过改变桨叶层数、直径及离底距离来实现，而曲面涡轮桨

6、则采用标准双循环流型。结果表明：桨叶后方的双尾涡结构在所有涡轮桨的任意流型下都会出现，但其发展历程及运动轨迹各不相同；相位平均实验结果中，高湍流动能区主要集中在叶端射流区附近，而相位解析结果中，高湍流动能分布区位于两反向旋转尾涡的汇合区附近，且随尾涡的运动向槽内其它区域传递；单循环流型下，几何结构完全相同时，雷诺数的变化对无因次化的速度和湍流动能几乎没有影响，但几何结构相似时，局部区域的流动存在差异；流型分布与桨叶直径及离底距离密切相关，降低离底距离可使流型从双循环向单循环转变，但此时增加桨叶直径流

7、型又会从单循环转变为双循环；曲面形状对涡轮桨的尾涡结构和高湍流动能分布区影响显著，叶片形状趋于流线型时尾涡衰减较快，湍流动能也迅速降低。在FLUENT软件的基础上编写了大涡模拟的数据统计及处理程序，对单层Rushton涡轮桨搅拌槽的双循环和单循环流型进行大涡数值模拟，并与PIV实验及舡￡模型计算结果进行比较，同时分析亚格子模式及网格模型对大涡模拟结果的影响。结果表明：大涡模拟方法能够反映搅拌槽内复杂的非稳态特性；标准肛占模型对双循环流型下平北京化工大学博士学位论文均速度的预测与实验基本吻合，湍流动能

8、的计算值略偏低，但其得到的单循环流型的速度及湍流动能分布与实验明显不符；大涡模拟方法预测的双循环流型的湍流动能分布比肛g模型准确，对单循环流型的速度及湍流量的估计较缸F模型有根本上的改善；不同亚格子模式之间没有显著的差别，网格较密的区域DSL模式比SSL和DKE模式略好。利用大涡模拟方法研究了双层Rushton涡轮桨搅拌槽内的平行流、合并流和分散流等流型的特性，讨论了边界条件和数据处理方法对计算结果的影响，结果表明：大涡模拟在预测双层桨复杂流动方面比k．g模型有显著改