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高效节能搅拌器的数值模拟及性能预测

作　者: 朱培模
导　师: 张立翔
学　校: 昆明理工大学
专　业: 流体力学
关键词: 搅拌器 VOF 数值模拟 CFD
分类号: X703.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着我国经济的持续、快速发展,城市化和工业化规模的不断扩大,城市污水排放量急剧增加。低成本,高效率的处理污水已经成为每个城市迫切需要解决的问题。搅拌器作为主要的污水处理设备,其搅拌效率和能耗对污水处理产业有着重要影响。研发低能耗,高效率的搅拌设备显得十分必要。本文根据某污水处理厂委托的高效节能搅拌器研发项目的研究要求,自主研发一种新型的高效节能立式搅拌器。根据搅拌器的设计理论、计算流体动力学知识和一些参考资料,建立叶轮直径为1500mm,搅拌池宽为4.8m,长为8.0m,水深为6.0m的三维实体模型。基于RNG k-ε湍流模型结合VOF方法数值模拟搅拌器分别以30、40、50 r/min的速度在搅拌池中的运行过程。其中搅拌池自由液面的位置确定采用几何重构格式进行处理；速度-压力耦合项采用PISO算法分离求解；动量、湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式进行离散；迭代格式采用低亚松弛格式进行计算。通过对搅拌池流场的数值模拟及计算结果分析得出：自主研发的搅拌器在以30r/min速度运行时,搅拌池内最小速度达到0.02m/s最大速度达到0.20m/s,其速度满足搅拌要求。搅拌池内从水面到池底速度逐渐增加,从搅拌器中心到搅拌池壁面速度逐渐减小,池中水流在叶轮的推动下形成垂直旋流,同时又在叶轮旋转带动下产生水平旋流,其流场达到了良好的混合与搅拌效果。在不考虑叶轮、传动轴自重和减速箱摩擦耗能的情况下,转速为30r/min,耗能为337.0W；转速为40r/min,耗能为868.1W；转速为50r/min,耗能为1679.8W；在同等条件下,与传统的潜水搅拌器相比具有效率高,能耗低等特点。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-25
  1.1 引言  10-11
  1.2 国内外搅拌器研究现状及趋势  11-14
    1.2.1 国内搅拌器研究现状  11-12
    1.2.2 国外搅拌器研究现状  12-13
    1.2.3 搅拌器发展趋势  13-14
  1.3 计算流体动力学(CFD)简介  14-23
    1.3.1 CFD的特点  14-15
    1.3.2 CFD的优势  15-16
    1.3.3 CFD的工作步骤  16-17
    1.3.4 CFD的研究进展  17-22
    1.3.5 CFD通用软件介绍  22-23
  1.4 本文研究的主要工作  23-25
第二章流体运动控制方程  25-43
  2.1 流体动力学控制方程  25-28
    2.1.1 连续性方程  25-26
    2.1.2 动量守恒方程  26-27
    2.1.3 控制方程的通用形式  27-28
  2.2 湍流的数值模拟  28-43
    2.2.1 湍流的基本方程  28-30
    2.2.2 标准κ-ε模型  30-32
    2.2.3 RNG κ-ε模型  32-34
    2.2.4 大涡模拟  34-39
    2.2.5 近壁湍流模拟的壁面函数法  39-43
      2.2.5.1 动量方程中变量u的计算式  41
      2.2.5.2 湍动能方程与耗散率方程中κ和ε的计算式  41-43
第三章流体运动控制方程数值离散  43-63
  3.1 数值离散方法  43-46
    3.1.1 有限差分法  43-44
    3.1.2 有限元法  44
    3.1.3 有限体积法  44-45
    3.1.4 谱方法  45-46
  3.2 基于有限体积法的控制方程离散及求解  46-58
    3.2.1 基于有限体积法的控制方程离散  46-48
    3.2.2 基于有限体积法的常用离散格式  48-51
      3.2.2.1 二阶中心差分格式  49-50
      3.2.2.2 二阶迎风差分格式  50-51
    3.2.3 基于有限体积法的压力-速度耦合离散  51-58
      3.2.3.1 SIMPLE算法  53-54
      3.2.3.2 SIMPLEC算法  54-56
      3.2.3.3 PISO算法  56-58
  3.3 可动区域中流动问题的模拟  58-63
    3.3.1 旋转参考坐标系中的流动表述  59-60
    3.3.2 滑移网格技术  60-63
第四章水气两相分层流模型  63-72
  4.1 水气两相分层流的湍流数学模型  63
  4.2 VOF方法基本原理  63-72
    4.2.1 VOF方程的定义  63-65
    4.2.2 VOF方程求解  65-72
      4.2.2.1 Hirt和Nichols的直线近似  65-66
      4.2.2.2 FLAIR界面重构技术  66-68
      4.2.2.3 PLIC型界面重构  68-69
      4.2.2.4 Ubbink的界面捕捉方法-CICSAM方法  69-70
      4.2.2.5 积分平均型TVD格式  70-71
      4.2.2.6 FCT-VOF方法  71-72
第五章搅拌器数值模拟  72-99
  5.1 搅拌器三维实体模型  72-74
  5.2 三维网格生成  74-79
    5.2.1 网格类型及单元的分类  74-76
    5.2.2 非一致网格技术  76-77
    5.2.3 网格划分  77-79
  5.3 边界条件设置  79-81
    5.3.1 设定区域类型  79-80
    5.3.2 计算边界条件设置  80-81
  5.4. 计算结果分析  81-95
    5.4.1 瞬态分析  81-88
    5.4.2 稳态分析  88-95
  5.5 搅拌器性能预测  95-99
第六章结论与展望  99-101
致谢  101-102
参考文献  102-107
附录A (攻读硕士学位期间发表论文)  107

高效节能搅拌器的数值模拟及性能预测

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