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基于数值模拟的煤浆混合槽结构优化

作　者: 王瑾
导　师: 陈志平
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 煤浆混合槽煤液化计算流体力学(CFD) 结构优化搅拌桨混合性能
分类号: TQ529
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

为了提高煤炭利用率,解决环境污染问题,我国充分重视煤炭直接液化技术的应用。作为煤炭直接液化技术中煤浆制备单元的关键装备—媒浆混合槽的作用也显得越来越重要。目前,国内外对卧式混合槽内部流动情况的研究不多,本课题组曾对卧式混合槽进行过研究,但受时间和条件限制,仅研究了一种结构的几组参数。本文采用Computational Fluid Dynamics(CFD)方法,个别模型配合物理实验,对三种煤浆混合槽进行结构优化研究,得到了一系列结论。首先就课题组曾研究的涡轮式煤浆混合槽结构展开后续研究,更多地改变模型参数,寻找更合理结构,为工程应用提供技术依据。研究结果表明:在其他参数不变的情况下,选择倾斜角度为60°的直涡轮桨,并且将桨叶圆盘定为188mm,挡板与槽体之间留有2mm间隙的混合槽会获得最佳搅拌混合效果。随后,提出螺旋式煤浆混合槽结构。该混合槽的桨叶整体上倾斜布置,构成螺旋走向,使得桨叶不仅具有传统的搅拌与混合功能,而且可以引导物料沿螺旋轨迹运动,同时也给物料一定的反混机会,让搅拌更充分。数值模拟结果显示,该装置基本能够满足设计要求。最后,在总结前两种结构的基础上,提出了犁刀式煤浆混合槽结构。该混合槽用犁刀式桨叶代替涡轮式桨叶,使得桨叶对流体的剪切力更大。尤其在槽体内部混合物出口管前设置挡板之后,搅拌效果得到明显改善,并在相应的实验装置上进行试验运行,试验结果验证了数值模拟结果,两者吻合较好。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
目次  8-11
1 绪论  11-25
  1.1 煤炭液化的技术进展  11-12
  1.2 固-液混合槽的结构进展  12-14
  1.3 混合槽内多相流动的理论基础和实验研究  14-18
    1.3.1 气-液搅拌混合的理论及实验现状  14-15
    1.3.2 固-液搅拌混合的理论及实验现状  15-17
    1.3.3 气-液-固搅拌混合的理论及实验现状  17-18
  1.4 混合槽内多相流动的数值模拟  18-22
    1.4.1 数值模拟中的建模方法  19-20
    1.4.2 气-液两相数值模拟现状  20-21
    1.4.3 固-液两相数值模拟现状  21-22
    1.4.4 气-液-固三相数值模拟现状  22
  1.5 课题意义及研究内容  22-25
2 计算流体力学模型理论  25-36
  2.1 流体力学控制方程组  25-26
  2.2 流体力学计算模型  26-36
    2.2.1 建立求解模式  26-28
    2.2.2 湍流流动模型  28-32
    2.2.3 近壁面区域模型  32-33
    2.2.4 多相流模型  33-34
    2.2.5 收敛性判断  34-36
3 涡轮式煤浆混合槽的结构优化  36-49
  3.1 现有研究状况简介  36-38
    3.1.1 涡轮式煤浆混合槽的结构及原理  36-37
    3.1.2 已经取得的研究成果  37-38
  3.2 涡轮式煤浆混合槽的进一步研究  38-47
    3.2.1 挡板与槽体之间空隙对搅拌效果的影响  38-41
    3.2.2 搅拌桨圆盘直径对搅拌效果的影响  41-43
    3.2.3 桨叶倾斜角度对搅拌效果的影响  43-47
  3.3 本章小结  47-49
4 螺旋式煤浆混合槽研究  49-61
  4.1 新结构的提出  49-50
  4.2 螺旋式煤浆混合槽的工作原理  50-51
  4.3 螺旋式煤浆混合槽的数值模拟  51-59
    4.3.1 网格划分  51-52
    4.3.2 计算模型选用  52-53
    4.3.3 边界条件设定  53-54
    4.3.4 计算初始化  54-55
    4.3.5 模拟结果分析  55-59
  4.4 本章小结  59-61
5 犁刀式煤浆混合槽的研究  61-85
  5.1 犁刀式煤浆混合槽的结构  61-62
  5.2 犁刀式煤浆混合槽的工作原理  62
  5.3 犁刀式煤浆混合槽的特点  62-63
  5.4 犁刀式煤浆混合槽的模型参数  63-65
    5.4.1 物性参数  63-64
    5.4.2 流动参数  64
    5.4.3 模型参数  64-65
  5.5 犁刀式煤浆混合槽的数值模拟  65-69
    5.5.1 数值计算模型选用  65-66
    5.5.2 模型建立和网格划分  66-67
    5.5.3 边界和连续性条件  67-68
    5.5.4 计算初始化  68-69
  5.6 犁刀式煤浆混合槽的模拟结果  69-72
    5.6.1 犁刀式煤浆混合槽内部压力场分析  70-71
    5.6.2 犁刀式煤浆混合槽内部速度场分布  71-72
  5.7 带挡板的犁刀式煤浆混合槽结构  72-73
  5.8 带挡板的犁刀式煤浆混合槽的数值模拟  73-79
    5.8.1 带挡板的煤浆混合槽的压力场分析  73-74
    5.8.2 带挡板的煤浆混合槽的速度场分析  74-75
    5.8.3 带挡板的煤浆混合槽的湍流强度和湍动能分析  75-77
    5.8.4 带挡板的煤浆混合槽的速度矢量分析  77
    5.8.5 带挡板的煤浆混合槽搅拌效果分析  77-79
  5.9 带挡板的犁刀式煤浆混合槽实验验证  79-83
    5.9.1 实验装置  79-80
    5.9.2 实验步骤  80-81
    5.9.3 理论结果、实验结果与模拟结果的对比  81-83
  5.10 本章小结  83-85
6 总结与展望  85-88
  6.1 总结  85-86
  6.2 展望  86-88
参考文献  88-95
作者简历  95

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