錯(cuò)位槳攪拌假塑性流體流動(dòng)與混合特性研究.pdf

1、許多過(guò)程工業(yè)都會(huì)涉及到高粘非牛頓流體的攪拌混合，這是攪拌技術(shù)的難點(diǎn)之一。具有一定初始屈服應(yīng)力的假塑性流體是一種最常見(jiàn)的非牛頓流體，呈現(xiàn)出剪切稀化的流動(dòng)特性，在層流攪拌時(shí)會(huì)產(chǎn)生洞穴效應(yīng)，洞穴內(nèi)部流體混合較好，而外部的流體則處于停滯或緩慢流動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)流體混勻極為不利。另外，當(dāng)流體粘度較大或者對(duì)剪切力敏感時(shí)，攪拌只能處于層流或較低雷諾數(shù)的過(guò)渡流狀態(tài)，此時(shí)在葉片的上下方附近會(huì)形成環(huán)形的混合隔離區(qū)，隔離區(qū)內(nèi)部介質(zhì)只能依靠分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與外部實(shí)現(xiàn)

2、傳質(zhì)過(guò)程，混合效果很不理想。為此，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，采用錯(cuò)位六彎葉渦輪攪拌器，對(duì)假塑性流體的宏觀流場(chǎng)特征、洞穴變化規(guī)律以及混沌混合特性展開(kāi)研究，為高效攪拌裝置開(kāi)發(fā)打下理論基礎(chǔ)。
　　 通過(guò)流變儀測(cè)試了黃原膠水溶液（一種典型的假塑性流體）的流變學(xué)參數(shù)，分析了流體表觀粘度與切應(yīng)變速率的關(guān)系，探討了質(zhì)量濃度和溫度等因素對(duì)流變參數(shù)的影響規(guī)律。黃原膠水溶液的表觀粘度隨切應(yīng)變速率的增大而減小，表現(xiàn)出良好的剪切稀化性，表觀粘度與切應(yīng)變速率

3、的關(guān)系符合Herschel-Bulkley流變模型，流變指數(shù)隨流體濃度升高呈下降趨勢(shì)，受溫度的影響較小，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的流變參數(shù)為后續(xù)的模擬研究提供了依據(jù)。選用甘油進(jìn)行了層流攪拌功率實(shí)驗(yàn)，用純凈水進(jìn)行了PIV湍流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果均吻合較好，因此可以用CFD方法來(lái)預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)及混合特性，從而驗(yàn)證了本文所建立的層流和k-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果的可靠性。
　　 基于層流粘性模型，對(duì)錯(cuò)位槳和六彎葉槳在假塑性流體攪拌過(guò)程中的

4、洞穴變化規(guī)律進(jìn)行了研究，給出了較為適宜的洞穴邊界速度的確定方法，分析了洞穴形狀、直徑以及高徑比隨表觀雷諾數(shù)Re*的變化規(guī)律，描述了洞穴的發(fā)展過(guò)程。研究表明，洞穴形狀隨Re*的增大均呈現(xiàn)圓柱形的變化規(guī)律，符合洞穴圓柱形模型(EN模型)的描述;在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，Dc/D-NpRey的變化規(guī)律以及洞穴高徑比的變化與假塑性流體流變指數(shù)無(wú)關(guān)。然而，洞穴高度的軸向擴(kuò)展系數(shù)β明顯不同，六彎葉槳β=0.55，錯(cuò)位槳β=0.79，錯(cuò)位槳攪拌更有利于消除流場(chǎng)

5、洞穴效應(yīng)。
　　 對(duì)錯(cuò)位槳和六彎葉槳在牛頓流體和假塑性流體中的攪拌功耗及攪拌槽內(nèi)的壓力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探討了錯(cuò)位槳攪拌效果改善的機(jī)理，建立起錯(cuò)位槳功率常數(shù)Kp和Metzner-Otto數(shù)Ks與攪拌槳幾何尺寸的關(guān)聯(lián)式。在層流區(qū)域內(nèi)，由表觀粘度法得到假塑性流體的功率曲線和牛頓流體的功率曲線是重合的，牛頓流體的臨界雷諾數(shù)為10，假塑性流體為30;錯(cuò)位槳Metzner-Otto數(shù)ks與流變指數(shù)n基本無(wú)關(guān)，隨轉(zhuǎn)速的升高，錯(cuò)位槳節(jié)能

6、效果逐漸顯現(xiàn);在Coriolis力的作用下，錯(cuò)位槳攪拌槽內(nèi)流體可形成較為強(qiáng)烈的旋流運(yùn)動(dòng)，這對(duì)攪拌效果的改善是極為有利的;利用Kp和ks的關(guān)聯(lián)式，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)錯(cuò)位槳攪拌假塑性流體的功率消耗和槽內(nèi)平均剪切特性。
　　 采用k-ε湍流模型，對(duì)錯(cuò)位槳、六彎葉槳及雙層槳組合形式在假塑性流體攪拌中的流場(chǎng)特性和混合過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比研究，闡述了錯(cuò)位槳誘發(fā)混沌流動(dòng)的特性，探討了錯(cuò)位槳攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)的切應(yīng)變速率、排出流率以及泵送效率的影響，分析

7、了組合槳層間距對(duì)攪拌流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，確定了在不同攪拌轉(zhuǎn)速下較為適宜的層間距。研究表明，槳葉錯(cuò)位能夠產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，有效消除混合隔離區(qū)，誘發(fā)流體的整體混沌流?；旌线^(guò)程與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，錯(cuò)位槳在混合速率和混合效率方面均高于六彎葉槳，其中錯(cuò)位槳的單位體積混合能只有六彎葉槳的52％，體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。底部為錯(cuò)位六彎葉槳、上層采用45°斜葉槳的組合形式，用于假塑性流體攪拌混合過(guò)程具有明顯優(yōu)勢(shì)，并將該組合形式應(yīng)用于中型FCC催化劑成膠攪拌過(guò)程