双层斜叶组合桨搅拌槽内流体流场的数值模拟及PIV试验研究

• 作 者: 房洪芹
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 组合桨 非牛顿流体 机械搅拌槽 数值模拟 粒子图像测速技术

沼气厌氧发酵技术能实现有机废物的循环利用,提高能源的利用率,但是发酵过程复杂,影响因素众多,机械搅拌对沼气发酵过程的影响受到越来越多的关注。本文在江苏特聘教授项目(1711440002)的资助下进行相关研究,采用CFD数值模拟和试验研究相结合的方法,以机械搅拌槽内部非牛顿流体的流场变化为研究对象,非牛顿流体为高透明且流变性与发酵液相似的CMC溶液,探究双层斜叶组合桨在机械搅拌时对搅拌槽内流场分布和变化规律的影响。本文的主要内容与成果如下:1.简述了研究机械搅拌的背景和意义,阐明了非牛顿流体的分类和特点,总结了流场测量方法在机械搅拌槽内的应用现状,以及数值模拟在搅拌槽内的应用现状。2.测定CMC溶液流变参数,应用Fluent软件以激活非牛顿流体模型。采用雷诺时均法的Realizable k-ε湍流模型进行数值计算,研究四斜叶桨(4PBT/45度)和六斜叶涡轮桨(6PBT/45度)组合的四种双层桨结构4PBT+4PBT组合桨、4PBT+6PBT组合桨、6PBT+4PBT组合桨和6PBT+6PBT组合桨(上层桨在前,下层桨在后)对搅拌流场的影响。通过对比四种不同组合桨下搅拌流场,结果表明:4PBT+4PBT组合桨搅拌效果最好,使用该组合桨搅拌时,槽内主循环流区域最大,反向循环流区域最小,流体间对流剧烈且流场的平均速度和高速区占比最大,机械能耗最小,不存在死水区。3.采用PIV试验装置对四种不同组合桨方案的搅拌槽内部流动进行研究,发现基于Realizable k-ε模型的数值模拟结果与试验结果近似,验证了Realizable k-ε模型可以用于研究搅拌槽流场分布;其中4PBT+4PBT组合桨下基于Realizable k-ε得到的搅拌流场数值模拟结果,与试验得到的流线分布和时均径向速度分布最为吻合。4.基于4PBT+4PBT组合桨,以CMC溶液作为非牛顿流体,在机械搅拌槽中采用Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟,研究搅拌桨转速、双层桨叶间距和非牛顿流体流变特性对搅拌槽内部流场的影响。研究结果如下:(1)当搅拌转速N分别为100r/min、200r/min、300r/min和400r/min时,随着转速的增大,主循环流区域扩大,但反向循环流区域减小,流体间对流加剧,影响了流场的平均速度,使得机械能耗增大,搅拌槽内部流场死水区和低速区比例减小。因此增大转速有助于搅拌槽内流体混合,但同时会增加机械能耗。(2)当双层桨叶间距C分别为75mm、100mm、125mm和150mm时,增大桨叶间距,主循环流区域与反向循环流区域都出现明显扩大,搅拌槽上部区域流速变大,进而影响了槽内更大范围流体的流动。当双层桨叶间距C=125mm时,搅拌流场平均速度最大且不存在死水区,搅拌槽内流场高速区比例也最大,因此最适合应用于搅拌槽内流体混合。(3)当CMC溶液质量分数ω分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%时,随着溶液粘度的增大,非牛顿流体的流变特性更加明显,主循环流区域缩小而反向循环流区域扩大,流体间的对流减弱使得流场平均速度降低,机械搅拌能耗增大,搅拌槽内部流场死水区和低速区比例增大。高粘度CMC溶液不利于非牛顿流体的混合,但可以通过增大转速的方式,促进搅拌槽内非牛顿流体混合。