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搅拌釜内流动特性模拟

骆培成项目组开展了对新型多叶片组合式搅拌桨(MBC)搅拌釜内单相湍流状态下的流动特性进行分析研究采用大涡模拟(LES)配合Dynamic Kinetic Energy Transport(DKE)亚格子应力模型详细研究了时间平均流型、流量、涡量特性、泵送能力、功率特性、湍流特性和剪切特性等流体动力学特性,后处理则采用matlab程序进行插值计算,从而进行数据的统计处理。

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图一  三个r-z监测平面上无因次速度矢量图和时均速度云图(aP10;(bP45;(cP-10

研究成果:

近日,新型多叶片组合式搅拌桨(MBC)搅拌釜内单相湍流状态下的流动特性的研究成果在化工领域顶级期刊AICHE J中发表,通过流场、流量等特性分析揭示了MBC桨的设计思路,使搅拌釜内能够达到较好的混合效果,湍动能量级明显增大,且分布均一。论文题目为Investigation on the flow characteristics of a novel multi-blade combined agitator by time-resolved PIV and LES”。

一个理想的搅拌器设计是能够使整个搅拌釜内的流体动力学具有相似性,同时能够减少死区的形成。一个常见的想法是让搅拌器的叶片扫过容器中几乎所有的空间。典型的代表是最大叶片式搅拌桨,如Maxblend叶轮和Fullzone叶轮,可以在径向和轴向诱导复杂的局部流动。这些搅拌器在实际应用中表现出良好的搅拌性能和灵活的适应性,特别是在中粘度体系下,然而TKE的量级并没有显著的增加。另一项开创性工作是Kulkarni等人提出了分形叶轮。叶轮有四个主要支路,每个支路又分成三个子支路。每个分支有四个叶片。该搅拌器已被证明能产生均匀的悬浮颗粒,并能有效地将气体分散到液体中,产生相对较高的气含率。然而,其复杂的结构可能会限制其在工业容器中的应用。目前,国内外搅拌器研究工作主要在传统搅拌桨的基础上进行优化改进,以开发更加高效的新型桨。因此,探索新型高效搅拌桨,研究其流动特性,对于提高搅拌设备混合效果、强化传热,特别是中、高粘度流体混合起到了至关重要的作用。

本项目新开发的MBC桨能够极大地强化了高径比较大的立式搅拌槽内流体的流动,使釜内同时产生相对均一的轴向流动和径向流动,且轴向流动的流体与径向流动的流体相互作用、有效进行流体交换,解决了多桨组合式搅拌器容易产生区域效应、湍动能与湍动能耗散分布不均匀等问题,大大提高了混合效率、减少了混合时间、降低了搅拌桨的功率消耗;同时该搅拌器的结构简单,易于加工,降低了制造成本。因此,MBC桨适用于较大黏度范围内的均相体系混合和非均相体系的分散过程,在具体用于搅拌釜时,不仅可用于常规高径比例(H/T在1左右,液位高为H,槽内径为T)的搅拌釜内的混合过程,还可以用于高径比(H/T)较大的混合过程,如高径比在1.5~3的混合过程。

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r-z平面上的湍流强度云图aMBCN = 120rpmP/V = 110 W/m3;(bMaxblendN = 144 rpm, P/V = 100 W/m3;(cPBTN = 193rpmP/V = 100 W/m3

 

通过与双RT叶轮、双斜叶片涡轮、Maxblend搅拌器等传统多级叶轮系统对比表明,MBC搅拌器的湍流强度在大部分区域都要大得多,且分布更加均匀。证明了在釜中单独布置MBC桨可以强化流体流动,并且能够显著提高湍流强度TITKE分布的均匀性。

搅拌釜内流动特性的数值模拟能够准确地预测搅拌桨的旋转运动,反映了搅拌釜内的真实流动情况,从而设计开发更加高效节能的新型搅拌桨。论文第一作者为化学化工学院2017硕士许言,通信作者为骆培成,合作者有化学化工学院博士生邬斌。

这项研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基础研究基金和江苏省研究生科研实践创新计划等的支持