气—液两相搅拌釜流体行为的数值模拟研究.docx

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1、气—液两相搅拌釜流体行为的数值模拟研究搅拌釜作为工业生产中的关键单元设备,在冶金、石油化工、水处理、生物制药和食品加工等领域得到广泛地应用。搅拌釜主要通过机械运动对流体进行搅拌,使釜内物料彼此混合均匀。但搅拌釜所产生的流场一般为紊乱随机的湍流形态,由于缺乏对多相湍流的机理研究,导致釜内多相流体力学行为难以准确描述,从而对搅拌釜的设计与优化造成限制,因此,许多难点问题仍需进一步探索。本文以处理含氰污水的气-液两相搅拌釜为研究对象,采用实验测量和数值模拟相结合的手段对气-液两相搅拌釜的流体力学行为进行

2、了系统深入地研究。为描述气相在湍流中的流体力学行为,本文对流粒破碎及聚并过程的机理进行研究,并进一步将二者模型纳入到气-液两相流计算框架内,对釜内的气泡尺寸分布进行计算。利用探针测量法和动态照相法对偏心及非偏心搅拌釜的气-液两相流进行测量,获得了不同偏心率下,气含率、气泡尺寸和气泡速度等流体力学参数。通过以上数据不仅可以了解气相在搅拌釜内的基本分布情况,还可作为对比模拟结果可靠性和CFD-PBM耦合模型校准的重要依据。采用数值模拟方法对搅拌釜流场进行系统研究。通过对流场计算发现,双桨搅拌方式可以克

3、服单层搅拌釜上、下两部分流速分布不均匀和循环流造成的“死区”现象。就缓解液面波动而言,采用添加挡板的效果要优于改变偏心率。计算结果还表明,当药剂投料口设置距搅拌器中心水平8cm处,且在同一水平高度,投料口数量为4个以上环状分布,并在临界转速30rad/s～40rad/s范围内,药剂的混合效率可达到最佳状态。通过对釜内两相分布的研究,提出了调整搅拌釜两相分布的相关操作。另外,还获得实验难以测量的虚拟质量力,进而得到两相之间运动情况。基于涡流运动和湍流理论,对流粒在湍流下的破碎过程进行机理研究。为了能

4、够合理地描述气泡破碎过程,不仅修正了流粒碰撞频率,而且针对气泡破碎标准,考虑了影响气泡破碎的能量约束条件和压力约束条件,并引入流粒频率的影响。通过所建模型明确了参与流粒破碎行为的湍流涡尺寸范围为21.4η≤λ≤5d0,并获得流粒临界破碎尺寸关系式。由于物性不同,空气-水体系子流粒尺寸分布呈“M”形状,而对于油-水体系子流粒尺寸分布则呈“∧”形状。研究流粒聚并过程中,分别建立了相关流粒排液模型和流粒接触模型。在建立排液模型时,分别对液膜外部和液膜内部两个部分进行讨论,然后运用能量守恒定律,对流粒进行

5、宏观受力分析,获得接触模型。运用修正后的流粒聚并模型,从机理上分析了湍流特征和两相物性对聚并速率的影响。利用群平衡方法,将流粒的破碎和聚集模型纳入到多相流计算框架内,建立了搅拌釜气-液两相CFD-PBM耦合模型,对釜内气泡尺寸分布进行系统的预测分析。数值模拟结果表明,在排液区气泡行为主要以破碎为主,上循环区气泡行为主要以聚并为主,而在下循环区气泡主要进行传输运动。另外,考虑到对于实际曝气过程需要气泡拥有较大的比表面积使两相充分接触,因此,选择在增加转速和降低通气量的基础上,同时采用环形分布器来降低

6、釜内气泡尺寸,并认为在速转为35rad/s时,不仅对物料有较高的混匀能力,还能获得较优的曝气效果。