新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响_郭海锋.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:郭海锋(),男,硕士,研究方向为搅拌技术与装备的开发应用,电话:,:;周勇军(),男,硕士,教授,通信联系人,:。新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响郭海锋,包 健,王家成,高晓斌,周勇军(南京工业大学 机械与动力工程学院,江苏 南京;江苏省特种设备安全监督检验研究院国家化工设备质量监督检验中心,江苏 苏州)摘要:基于计算流体动力学()中的标准 模型,对新型框式组合桨在釜内的不同层间距下的流动特性进行了模拟分析,并采用粒子成像测速()技术进行了实验对比研究。研究结果表明:釜内流场以框式桨内小
2、二折叶桨为分界形成向上向下 个循环流;层间距对釜内流动特性影响较大,当层间距从 增长为 时,框式桨和近轴附近区域低速区大量消失;当层间距继续增加到 时,两桨之间的连接流微弱,流体流型开始变得紊乱,低速区面积急剧增大。在 种工况中,层间距 时整个搅拌釜内流场特性最有利于釜内物料的混合。研究结果可为新型框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。关键词:框式组合桨;粒子成像测速;流场;计算流体动力学中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(,;,):(),(),:;实际生产过程中聚酯合成工业中反应合成物的黏度较大,反应釜内物料间的传质与传热能力决定聚酯产品的质量和能量消耗。合理优化该类搅
3、拌桨釜内的流场,能提高生产效率,节约生产成本,还能够减少酯化反应过程产生的副产物对后续生产单元的影响。因此研究框式组合桨不同层间距下搅拌过程的流场特性及能量供给具有重要的意义。化学工程 年第 卷第 期 投稿平台:技术的成熟实现了对特定范围内的流体从平面测速到立方区域内瞬态完整的三维速度场的测量,数值模拟方法的兴起有效减少了反应器内部流场测量的局限性及生产工况的苛刻性。许雯婧等应用多重参考系法和混合多相流模型对聚苯硫醚搅拌釜进行了模拟研究,并进行了实验验证,研究表明涡轮桨和锚框式桨叶的优化组合可以满足主体循环流和固体悬浮要求。李文金等对框式组合桨进行了模拟分析并用 进行了实验验证,研究结果表明离
4、底距的增加使搅拌槽上部和底部产生小的漩涡,有利于上部和底部的物料混合,但不利于搅拌槽整体的物料混合。吴裕凡等基于 对一种同轴异速桨进行了数值模拟,研究表明外层框式搅拌桨的加入使外部流场形成了很好的整体流动。刘宝庆等以框式桨作为外桨以组合桨为内桨构成的同心双轴搅拌桨为研究对象,对其在高黏度牛顿流体中的流场特性进行数值模拟,研究表明内外桨同向转动的情况下能耗更小,混合效率更高。综上,运用 实验和 数值仿真的方法能够对该类搅拌桨进行优化设计,提高相关企业的生产效率和产品质量,本文研究结果可为聚酯合成工业搅拌桨参数优化提供参考。实验与模拟方法 实验装置搅拌控制系统实验装置搅拌桨高度由液压动力电机提供升
5、降,实验转速、数据记录等由计算机、变频器和控制开关提供控制,搅拌釜根据企业生产过程中 通用型聚酯反应器等比例缩小,在相同离底距 情况下,采用 及相应的实验设备,以清水为介质研究该组合桨转速和层间距对搅拌釜内流动特性的影响。搅拌系统结构参数如图()所示,搅拌釜外部为 的透明储水方槽,搅拌釜结构尺寸如图()所示,采用直径为 的圆柱形透明树脂玻璃无挡板搅拌釜,其壁厚为 ,搅拌釜高度 。组合桨由下桨新型框式桨和上桨二折叶桨组成,新型框式桨下半部分为带有椭圆弧弯叶的标准半椭圆,椭圆弧弯叶的高度 ,整体高度 ,中间为直径为 的小二折叶桨,小斜叶桨至椭圆弯叶底部距离 ,横梁处有加强筋,下桨到底部距离 ,上下
6、桨距离 ,上下桨直径分别为 和。组合桨桨叶的叶片均为 ,厚度均为 ,上下两桨叶轮毂内径均为,外径为 ,二折叶桨倾斜角度为。新型框式组合桨主要尺寸参数见表。图 搅拌釜整体结构与尺寸 表 搅拌釜及桨叶主要参数 参数数值 实验与模拟方法 实验条件层间距对流动特性影响实验在相同的离底距、转速 等工况条件下,考察 组层间距分别为、时搅拌釜内流体的流动特性。实验工况参数如表 所示。表 实验与数值模拟工况 序号 为径位置,量纲一。建模与网格生成构建与实验结构相同的模拟模型,并导入到 中 进行流体域的划分,使用 对搅拌釜进行非结构化网格划分,并对上下层动区域部分及新型组合桨进行了局部网格加密,以保障计郭海锋等
7、 新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响 投稿平台:算域的准确性。对网格划分数与功率准数进行网格无关性验证,当划分网格数达到 时,功率准数相对偏差为(小于),因此选取 网格数量作为本文模拟的网格数量,划分的网格结构模型如图 所示。图 计算域网格 模拟工况及湍流模型模拟工况具体参数如表 所示,通过对不同层间距下组合桨的流动特性进行模拟,验证实验的准确性。实验中搅拌釜内流场为湍流状态,因此选用湍流模型,其中间接模拟方法相较于直接模拟方法对流场进行了近似,大大简化了计算量,因此文中采用间接模拟方法中的标准 模型。结果与讨论 模拟部分 垂直剖面湍动能分布衡量流场湍动程度的指标有湍流动能、湍动能耗散率
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