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摘 要

因为流体在反应器中的流动情况比较复杂，目前对于反应器的设计主要还是依赖于实验和经验，缺乏理论指导，同时实验方法不但花费巨额资金以及大量人力物力，设计周期也比较长。近年来快速发展起来的计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics)填补了传统的反应器设计方式的不足。它是一种用于分析流体的流动性质的模拟计算技术。CFD与工程的结合不仅节省了大量的人力物力，提高了实验的效率，而且可以得到实验中所无法得到的局部详细信息，所以CFD在工业设计和优化中体现出的优越性越来越得到人们的重视。

本文利用计算流体力学软件ANSYS CFX14.0在相同操作条件下，以六直叶圆盘涡轮桨、 六箭叶圆盘涡轮桨、六弯叶圆盘涡轮桨、INTERMIG桨(德国伊喀拓公司专利）四种桨叶为例进行流场模拟，并进行后处理，得出水的速度矢量图和水的速度云图，预测了不同桨叶的搅拌效果。以纯水为实验流体进行搅拌桨的溶氧传质性能实验，记录DO值，分析处理数据，得到了不同搅拌桨桨叶的传质性能。结果表明，传质系数从高到低依次是INTERMIG桨、六直叶圆盘涡轮桨、六弯叶圆盘涡轮桨、六箭叶圆盘涡轮桨。CFD所得结果与实测所得结果基本一致。表明CFD技术对搅拌桨的流场评价、性能预测是可行的。

关键词：流体 计算流体力学 模拟 搅拌桨 传质系数

Development and evaluation of a new stirring blades mixing and mass transfer performance

Abstract

Since the fluid flow in the reactor is complex ,the design of the reactor is mainly dependent on experiments and experience, the lack of theoretical guidance, while the experimental method can not only spend huge amounts of money and a lot of manpower and material resources, design cycles longer. However, Computational fluid dynamics (CFD, Computational Fluid Dynamics) developing rapidly is a simulation of the flow properties of the fluid for the analysis of computing technology. CFD combined with engineering not only saved a lot of manpower and resources to improve the efficiency of the experiment, and could get details of local experiments that can not be obtained, so the superiority of CFD in industrial design and optimization has been paid more and more attention by people.

In this paper, the use of computational fluid dynamics software ANSYS CFX14.0 under the same operating conditions, with six straight blade disk turbine blade, six arrows leaf disc turbine blade, six curved leaf disc turbine propeller, INTERMIG four kinds of paddle blades as an example flow field simulation, followed by after-treatment, as a results of the velocity vector diagram of water and the velocity of water，stirring to understand the effects of different blade. Then with water as the fluid stirring paddle dissolved oxygen mass transfer performance test, recorded DO value, data analysis and processing, understand the different impeller blades mass transfer performance. The results showed that the mass transfer coefficients in descending order is INTERMIG paddle, six straight blade disk turbine blade, six curved leaf disc turbine blade, six arrows leaf disc turbine propeller. CFD results are basically consistent with the experimental results obtained. Showing CFD

technology to a variety of impeller flow field evaluation and performance prediction is feasible.

Key words ：fluid; computational fluid dynamics; simulation; paddle; mass transfer coefficient

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 搅拌桨的类型、原理及当前研究进展 1

1.1.1 搅拌桨的类型及外观结构 1

1.1.2 搅拌桨的作用原理、应用领域 2

1.1.3新型搅拌桨的研究进展 3

1.2 计算流体力学简介 6

1.2.1 CFD的发展史 6

1.2.2 CFD的基本原理 6

1.3 本课题的研究目的和主要内容 8

1.3.1 研究目的 8

1.3.2 主要内容 8

第二章 搅拌桨的CFD数值模拟 9

2.1 六直叶圆盘涡轮桨的流场模拟 9

2.2 六弯叶圆盘涡轮桨的流场模拟 11

2.3 六箭叶圆盘涡轮桨的流场模拟 12

2.4 INTERMIG型搅拌桨的流场模拟 13

2.5 四种流场的比较与评价 14

第三章 搅拌桨传质系数的实验研究 15

3.1 氮气驱赶法的原理及实验步骤 15

3.2 实验结果分析 16

3.2.1 六直叶搅拌桨的氧传质系数 16

3.2.2六弯叶搅拌桨的氧传质系数 17

3.2.3 六箭叶搅拌桨的氧传质系数 18

3.2.4 INTERMIG 搅拌桨的氧传质系数 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 文献综述

1.1 搅拌桨的类型、原理及当前研究进展

1.1.1 搅拌桨的类型及外观结构

搅拌桨可分为桨式，齿轮式，锚式，框式，螺带式，螺杆式，推进式，自吸式等类型^[1]。以下为比较常见或应用相对比较广泛的几种搅拌桨的外观结构：

（1）锚式、框式搅拌桨：应用于转速较低的反应器中，一般是指转速在60~300rpm之间，主要是因为锚式、框式长度绝大部分以3~5m左右，而且支撑点处于搅拌轴的头部，同时搅拌轴的强度相对有限，搅拌轴处于高速转动下跳动比较大，尤其是处于搅拌状态下底部的晃动比较大的时候，有时很有可能会碰到反应釜内壁。因此要根据物料的粘度大小来合理选择转速。

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