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摘 要

对于组合桨的研究，一直以来在搅拌行业内都是一个研究关注点，许多国内外的专注于搅拌行业的学者一直在研究并通过各种实验手段，得出精密严缜的实验报告为研究不同搅拌器的结构以及各种组合方式提供很大的依据，对工业行业做出巨大贡献。组合桨在氧化、结晶、发酵、加氢及对废水的处理等各类工业生产过程中被广泛使用。组合桨和单层桨相比较来说，使用组合桨可以气液分散效果更好，使混合效率更高。可是，对于组合桨的搅拌槽内流场来说，其复杂程度是远远大于单层桨的。所以来说，组合桨内部流动特性的研究对工艺设计、优化以及对搅拌装置的大型化是具有很大的意义且不可或缺的。组合桨的研究与开发，对于节约能源，提高搅拌效率有着重大意义。

关键词 搅拌器 组合桨 CFD 搅拌效率 流动特性

目录

摘 要 1

ABSTRAET 2

第一章 绪论 1

1.1 搅拌器概述 1

1.2搅拌器的工作原理及分类 2

1.2.1 搅拌器的工作原理 2

1.2.2 搅拌器的分类 2

1.3 搅拌槽及搅拌桨 3

1.4 CFD技术的应用 4

1.4.1 CFD技术介绍 4

1.4.2 CFD技术特点 4

1.4.3 FLUENT软件介绍 5

1.5 研究目的与意义 5

第二章 搅拌槽CFD模拟方法 7

2.1 K-e湍流模型 7

2.1.1 标准k-e模型 7

2.1.2 RNG k-e模型 8

2.1.3 带旋流修正的k-e模型（2equ） 8

2.2 搅拌桨运动模型 8

2.2.1 多重参考系(MRF)法 9

2.2.2 滑移网格(SM)法 10

2.3 第二章小结 11

第三章 搅拌槽的模拟过程 12

3.1 研究对象模型及网格划分 12

3.1.1 solidworks模型建立与装配 12

3.1.2 网格划分模型 14

3.2 边界条件/模拟策略 15

3.3 第三章小结 16

第四章 流动特性分析 17

4.1 转速对搅拌槽内流动特性的影响 17

4.2 不同层间距对搅拌槽内流动特性的影响 18

4.3 第四章小结 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 搅拌器概述

搅拌器是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件。搅拌器的不同类型、尺寸和转速，对搅拌功率都有影响。搅拌器的放大因为工艺较为复杂的原因，至今只能经验化放大，从而推至工业使用的规摸。搅拌设备广泛应用于化工、石油、水处理、食品、造纸、冶金等行业，是化工生产中应用最广的单元操作之一。搅拌设备在石油、化工、医药等行业的工艺设备中的比重比较大如在化工三大合成生产中，搅拌设备占反应设备的90%，占整个工艺设备的5%～25%。与之形成对比的是 ,我国的搅拌设备严重落后 ,对于一些大型的关键设备如聚合反应釜等,长期以来一直依靠进口,这一方面消耗了我国大量的外汇储备 ,另一方面也严重阻碍了我国民族化学工业的发展^[1]。所以为了国家的发展与进步，推进搅拌设备的研究就显得尤为重要。如图1-1所示是机械搅拌设备的结构图。

图1-1 搅拌设备结构图

1.2搅拌器的工作原理及分类

1.2.1 搅拌器的工作原理

搅拌器是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件。搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。一般说来，涡轮式搅拌器的功率分配对湍流脉动有利，而旋桨式搅拌器对总体流动有利。对于同一类型的搅拌器来说，在功率消耗相同的条件下，大直径、低转速的搅拌器，功率主要消耗于总体流动，有利于宏观混合。小直径、高转速的搅拌器，功率主要消耗于湍流脉动，有利于微观混合^[2]。

搅拌机是依据多种数据描述的，任何其一数据都不能用来描述一台搅拌机。 桨叶排液量（Q）、轴功率（P）、桨叶直径（D）、搅拌转速（N）及压头（H）是一台搅拌机的五个基本参数^[3]。桨叶的排液量与桨叶本身的流量准数，转速的一次方及直径的三次方成正比。搅拌消耗的轴功率则与流体比重，桨叶本身的功率准数，转速的三次方及桨叶直径的五次方成正比。在一定功率及桨叶形式情况下，桨叶排液量（Q）以及压头（H）可以通过改变桨叶的直径（D）和转速（N）的匹配来调节，即大直径桨叶配以低转速（保证轴功率不变）的 搅拌机产生较高的流动作用和较低的压头，而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较低的流动作用。在搅拌槽中，要使微团相互碰撞，唯一的办法是提供足够的剪切速率。从搅拌机理看，正是由于流体速度差的存在，才使流体各层之间相互混合，因此，凡搅拌过程总是涉及到流体剪切速率。剪切应力是一种力，是搅拌应用中气泡分散和液滴破碎等的真正原因。必须指出的是，整个搅拌槽中流体各点剪切速率的大小并不是一致的^[4]。

1.2.2 搅拌器的分类

按搅拌桨叶结构分，搅拌器可分为平叶、斜（折）叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。桨式、涡轮式搅拌器都有平叶和斜叶结构；推进式、螺杆式、螺带式的桨叶为螺旋面叶结构。根据安装要求又可以分为整体式和剖分式结构，对于大型搅拌器，往往做成剖分式，便于安装固定；按用途分，搅拌器可分为低黏流体用、高黏流体用。用于低黏流体的搅拌器种类有：推进式、浆式、开启涡轮式（平叶、斜叶、弯叶）、圆盘涡轮式（平叶、斜叶、弯叶）、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等^[5]。用于高粘流体的搅拌器种类有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式等；按流体流动形态分，搅拌器分为轴向流和径向流型。有些搅拌器在运转时，流体既产生轴向流又产生径向流的称为混合流型。推进式是轴流型的代表，平直叶圆盘涡轮是径流型的代表，而斜叶涡轮是混合流型的代表。

1.3 搅拌槽及搅拌桨

本文拟对二叶斜桨与新型框式桨组合应用于5m³树脂反应釜的工程实际应用进行同比例缩放，模型采用搅拌槽筒体直径为430mm圆柱形透明有机玻璃，下封头为标准椭圆不锈钢封头，总高度为675mm。组合桨上部为直径250mm二斜叶叶桨，下部为直径330mm框式桨，底层桨叶离搅拌釜底部距离为C1，两桨之间距离为C2，顶桨离液面距离为C3，搅拌釜总高度为 H，釜壁厚度 10mm。顶桨尺寸D1=300mm，底桨尺寸D2=330mm，桨叶宽度B=20mm，搅拌槽内没有挡板，底部封头采用不锈钢材料的标准椭圆形封头，且搅拌槽的中心位置是桨叶的安装位置，用数值模拟方法对该尺寸搅拌槽内部流场进行研究。如图1-2所示是改进型框式组合桨尺寸及结构图。

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