双层桨釜底通气式搅拌器性能分析.pdf

《双层桨釜底通气式搅拌器性能分析.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、514化工机械2014年双层桨釜底通气式搅拌器性能分析王新升料王超明郝惠娣孙雨凡张沛刘鑫(西北大学化工学院)摘要介绍了一种气液多相混合搅拌器的新型结构，将普通自吸式气体分散器置于釜底并对其结构进行改进，以适用于双层桨的安装和气体的通入。借助计算流体力学软件(CFD)分别对安装有置于釜底的普通自吸式气体分散器和新型气体分散器的搅拌器进行了气液两相和液相单相流的数值模拟。根据环境压力进出口模拟条件下气体被吸入的情况可知，该分散结构在通气情况下可节省34％的静压能。在对新型气体分散器性能数值模拟中，比较了双层6PT组合桨在不同安装高度时的搅拌流场，比较得出在该新型结构中，当双

2、层6PT组合桨安装距离为200ram时，有较好的搅拌效果和较低的能量消耗。关键词搅拌反应器气体分散器多相混合CFD中图分类号TQ051．7文献标识码A文章编号0254-6094(2014)04-0514-04气液混合搅拌反应器在生物化工领域有着广泛的应用⋯，通过改进普通自吸式气体分散器使之可安装在釜底，同时实现釜底通气，可提高搅拌槽内气液整体的混合效果，对生物反应器的发展有重大的意义。1结构设计1．1气体分散器在普通自吸式气体分散器的基础上进行改进旧j，所选普通自吸式分散器结构如图1a所示，气体分散口高40ram，宽30ram，气体分散叶片与所在圆弧切线方向夹角为300

3、，共12片叶片，如图1b所示。改进后的气体分散器结构如图2所示，将气体入口沿环向分布且与挡板结合，挡板总宽度(包括通气通道)为筒体的1／10，模拟中所选a．结构模型图2釜底通气式气体分散器结构筒体均为直径为300mm，高度为400mm，液面高度为350ram的平底圆筒，所以挡板总宽度为30ram，其中通气通道的半径为lOmm，总数为4个。1．2桨叶的选取上、下两层桨均选用标准六叶圆盘涡轮桨}西北大学国家级大学生创新创业训练计划项目(201310697026)。}$王新升，男，1993年7月生，本科生。陕西省西安市，710069。第41卷第4期化工机械515(6PT)，桨

4、叶最大直径为100ram，每片桨叶的长度为25mm，宽度为20ram，圆盘直径为75mm。分别对两桨叶安装距离为100、150、200、250mm的情况进行了仿真模拟。2数值模拟为了分析该气体分散器置于釜底时对通气的节能性能，对置于釜底的气体分散器进行了环境压力进出口为条件的数值模拟。由于新型气体分散器与普通气体分散器的吸气和分散装置一样，为了减少划分网格和计算的工作量，选用普通气体分散器为模拟对象。在对新型结构的数值模拟中，因为搅拌槽内的流场对气体的分布和整体的搅拌混合效果有着重要的影响，因此对其进行了液相的单相流模拟，以分析双层6PT组合桨在不同和安装距离时的搅拌混

5、合效果。2．1算法采用多重参考系法(MRF)对旋转桨叶和静止区域进行处理一。，对包围桨叶的部分填充冰冻体做为旋转域，并采用旋转坐标，其他区域为静止域，参考坐标为静态坐标。在单相流模拟中，湍流方程采用标准k-6模型。多相流模拟中，采用欧拉一欧拉法处理‘4J，设气液两相分别为分散相和连续相，分别采用零方程模型和标准七嚼模型，并使用Sato增强涡体粘度模型一。。2．2模型的建立采用先建立搅拌器模型后填充的方式建立模型，同时在桨叶旋转区填充冰冻体，进行布尔操作后的模型如图3所示。2．3网格的划分对旋转域和静止域分别进行网格的划分，基本尺寸分别为12mm与15mm，其中旋转域与动

6、态域的交界面处的面网格基本尺寸为4mm。利用膨胀法对静态域壁面及挡板处和旋转域与静态域的交界面处进行进一步细化，以防止在上述位置产生较大的速度梯度坤。。2．4边界条件在单相流的模拟中，为防止液体的溢出，设立与空气接触面的边界类型为自由滑移面，壁面和旋转轴所在面均设为Wall类型，其中定义旋转轴所在面同桨叶一样的旋转速度350r／rain，旋转域与静态域的结交面设立为GGI模型。在气液两相流模拟中，将气体分散器入口以外的敞开面设置为Opening，类型为去气开I=l，气体人I=l定义为压力入口，相对参考压强均为0Pa，参考压强为标准大气压。3模拟分析3．1气液两相流模拟结

7、果分析在环境压力进出口及转子转速为350r／rain的条件下，气体体积分数分布云图如图4所示。由于桨叶的旋转使得分散器中的液体被排出，从而形成负压，使气体被吸入气体分散器人口通道。从气体分散器入口至分散通道的距离h。为310mm，如果完全由外压提供进气压力，所需压力为pgh。，在该装置情况下，气体被吸入的高度h：为170ram，在此基础上只需提供Pg(h．一h：)的压力即可实现使气体进入到分散通道，可节省34％的静压能。由于该结构与新型分散器的分散装置一样，因此新型气体分散器也有着同样的性能。_。：●。2”’图3布尔操作后的桨叶旋转区模型