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D-T型卧式双轴搅拌装置的数值模拟

作　者: 杨腾
导　师: 冯惠生
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 高粘度物料卧式双轴搅拌设备流场特性搅拌功率停留时间 CFD
分类号: TQ051.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 64次
引　用: 2次
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内容摘要

高粘度、高凝固点、强热敏性物系的分离纯化是精馏过程中的难题,该类物系在分离设备中存在着流动性差、停留时间长、局部过热碳化或膨化等问题。新型带自清洁功能的卧式双轴搅拌再沸器适用于高粘度、高凝固点、强热敏性物料,本文应用CFD技术对该装置进行流体力学数值计算,研究其流场特性、功率特性及停留时间特性,为该装置的优化设计提出理论依据。应用Solidworks软件对卧式双轴搅拌设备建立合理的三维模型,运用非结构网格技术对几何模型进行网格划分;采用动网格、多相流及非稳态模拟计算方法,对卧式双轴搅拌装置在不同物料粘度、液相流速,搅拌轴转速下的流场特性和功率特性以及不同物料粘度的停留时间特性进行数值计算。结果表明,高粘度时液相的轴向流动主要集中在清理轴一侧,搅拌翅与推进叶片周边的液相流速很小;液相进出口流速越小、转速越大、粘度越小,液相主体区域的轴向流动受到搅拌作用的影响越大,流动由轴向转变为径向越明显,液相流动区域更易形成漩涡和流动死角;液相主体轴向流动空间随着液相进出口流速的增大而增大,液相主体轴向流速明显大于进出口流速;转速增大,靠近外壁面和搅拌翅及推进叶片壁面附近的低流速区域缩小;粘度越大,气液相界面偏离水平位置,即与初始位置形成的夹角越大,气相运动更加剧烈,更易形成漩涡。搅拌轴及清理轴的轴功率在一个周期范围内呈规律性变化,搅拌总功率主要消耗在清理轴上;低粘度半釜持液量时,在双对数坐标系下搅拌轴和清理轴的搅拌功率与转速对应的直线斜率分别为2.94和2.96,搅拌功率近似与转速的立方成正比,即N总∝ω³;高粘度半釜持液量时,双对数坐标系下搅拌轴和清理轴的搅拌功率与转速对应的直线斜率分别为2.20和2.23;清理轴和搅拌轴功率准数的对数与雷诺数的对数呈线性关系,即Np₁=3.28Re₁^-0.77 ,Np₂=17.26Re₂^-0.76 ,此处功率准数与雷诺数并不成倒数关系;粘度增大时,停留时间增大,流动过程中返混现象明显增大。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
前言  8-9
第一章文献综述  9-25
  1.1 搅拌设备简介  9-11
    1.1.1 立式搅拌设备  9-10
    1.1.2 卧式搅拌设备  10-11
  1.2 搅拌技术的研究进展  11-13
    1.2.1 LDV/PIV 测速技术  12
    1.2.2 电子过程断层成像技术  12-13
    1.2.3 计算流体力学  13
  1.3 CFD 在搅拌设备研究中的应用  13-20
    1.3.1 CFD 方法及商业软件  14-15
    1.3.2 CFD 处理搅拌设备转动的方法  15-18
    1.3.3 CFD 模拟搅拌设备的研究内容  18-20
  1.4 搅拌设备内CFD 技术发展趋势  20-22
    1.4.1 非结构化网格  20-21
    1.4.2 多相流的数值模拟  21-22
    1.4.3 大涡模拟和直接数值模拟  22
  1.5 搅拌设备的功率和停留时间特性  22-23
  1.6 本文研究的目的及内容  23-25
第二章 D-T 型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法  25-33
  2.1 SolidWorks 构建几何结构模型  25-27
  2.2 网格生成  27-29
  2.3 指定边界及区域类型  29
  2.4 物理模型与边界条件  29-32
    2.4.1 流体力学模型  29-30
    2.4.2 动网格模型  30
    2.4.3 非稳态模型  30-31
    2.4.4 多相流模型  31
    2.4.5 边界条件与求解策略  31-32
  2.5 小结  32-33
第三章 D-T 型双轴卧式搅拌装置的流场特性  33-51
  3.1 流场的基本特性  33-39
    3.1.1 x 轴截面上流场的基本特性  35-36
    3.1.2 y 轴截面上流场的基本特性  36-37
    3.1.3 z 轴截面上流场的基本特性  37
    3.1.4 轴向线的速度分布  37-39
  3.2 流场特性的主要影响因素  39-49
    3.2.1 不同液相进出口流速时的流场和速度分布  39-42
    3.2.2 不同转速ω时的流场和速度分布  42-45
    3.2.3 不同粘度时的流场和速度分布  45-49
  3.3 小结  49-51
第四章 D-T 型双轴卧式搅拌装置的功率特性  51-64
  4.1 功率特性的模拟计算  51-55
    4.1.1 搅拌装置功率的CFD 计算方法  51
    4.1.2 搅拌结构的受力分析  51-52
    4.1.3 卧式双轴装置的功率特性计算方法  52-55
  4.2 功率特性的影响因素  55-62
    4.2.1 液相进出口流速对功率的影响  55-57
    4.2.2 轴转动速度对功率的影响  57-58
    4.2.3 粘度对功率的影响  58-60
    4.2.4 功率准数与雷诺数之间的关系  60-62
  4.3 小结  62-64
第五章 D-T 型双轴卧式搅拌装置的停留时间特性  64-73
  5.1 停留时间的模拟计算方法  64
  5.2 物料在设备内的运动轨迹  64-69
  5.3 不同粘度下的停留时间  69-72
  5.4 小结  72-73
第六章结论  73-74
参考文献  74-79
附录符号说明  79-80
致谢  80

D-T型卧式双轴搅拌装置的数值模拟

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