自吸射流柔性搅拌桨预应力特性

为了解不同桨叶数对自吸射流柔性搅拌桨预应力振动特性影响,文中采用数值模拟方法研究了桨叶数为3、4和5的搅拌桨功耗、应力应变和固有频率预应力特性。结果表明,在Re=40.261~111962范围内,随着桨叶数增加,搅拌桨功耗逐渐增大;桨叶数为3的搅拌桨最大变形量最大,桨叶数为4的搅拌桨应力最大值最高;搅拌桨固有频率随桨叶数的增加而减小。该研究为自吸射流柔性搅拌桨优化设计提供了理论支持。

弧叶搅拌器不同桨叶直径下混合性能受转速和高度的影响程度分析

为了探究转速和安装高度对不同搅拌桨直径混合性能的影响程度,以弧叶搅拌器为研究对象,采用Realizablek-ε湍流模型和欧拉多相流模型进行数值计算,对比分析了不同搅拌桨直径在不同安装高度和转速下的混合时间、单位体积混合能、功率、固相颗粒分布、湍动能以及速度流场分布情况。结果表明:当搅拌桨直径增加时,转速对混合时间和固相颗粒运动的影响程度先减小后增加,对功率、湍动能以及介质流速的影响程度增加,对单位体积混合能无明显影响;当搅拌桨直径增加时,安装高度对混合时间和固相颗粒运动的影响程度先减小后增加再减小,搅拌桨直径为400mm时影响程度最大,对功率、湍动能以及介质流速无明显影响;当安装高度低于H/3时,随着搅拌桨直径的增加,高度对单位体积混合能的影响程度先增加后减小,反之,高度对单位体积混合能的影响程度增加。该研究可以在一定程度上说明搅拌桨直径在设计参数发生变化时对流场的影响程度,能够为机械搅拌提供理论指导,具有一定的工程应用意义。

鱼尾型搅拌桨设计及在羧甲基纤维素钠溶液中的应用

搅拌桨是生物反应器的核心部件,直接影响反应釜内流体的搅拌混合和气液分散性能.基于双色刺尻鱼(Centropyge Bicolor)尾鳍轮廓特征和仿生学原理,设计了一种鱼尾型搅拌桨—FT桨(Fishtail Turbine),应用于羧甲基纤维素钠(CMC)溶液的搅拌混合操作.结合计算流体动力学(CFD)和粒子图像测速(PIV)技术,研究了FT桨在纯水、 CMC溶液中的搅拌混合和气液分散性能,并与传统RT桨(Rushton Turbine)进行了对比.结果表明:(1)对于单相流,与RT桨相比,FT桨能增大流场速度、湍动能作用区域;搅拌纯水、 0.25%CMC溶液、 0.5%CMC溶液时,湍动能最大值分别增加39.47%、 23.33%、 18.31%,平均增加31.03%.(2)对于气液两相流,与RT桨相比,FT桨能增大高气含率区域,促进气液分散;搅拌气液两相纯水、 0.25%CMC溶液、 0.5%CMC溶液时,总体气含率分别相对增加8.62%、 9.19%、 2.58%,平均相对增加5.94%,搅拌功耗分别降低4.58%、 4.54%、 4.98%,平均降低4.70%.与RT桨相比,FT桨搅拌CMC溶液具有更优的搅拌混合和气液分散性能,应用前景广阔.

双层三窄叶旋桨搅拌槽内流场特性研究

以甘油-水溶液为流动介质,采用计算流体动力学和粒子图像测速技术相结合的方法,针对双层三窄叶旋桨搅拌槽,研究了旋桨参数离底距C_(1)、桨间距C_(2)及转速N对槽内流场特性的影响。结果表明,随着C_(1)的增大,下层桨叶的推动作用先增强后减弱,在C_(1)=0.25h(h为槽内液位高度)时槽底流体混合状态最佳。在C_(2)=0.24h时,上层旋桨影响区域形成高速涡旋,槽内两层旋桨桨叶间的流体流动状态最佳。在N=120 r/min时,槽内流体的湍动能及流速分布均较均匀,能耗较低。

基于流固耦合的搅拌桨叶数值模拟研究

为探究三角形桨叶、格子式桨叶、八字形桨叶在不同工况时的性能,基于ANSYS Workbench平台,采用k─ε标准流场模型,对不同水流冲击和不同转速的3种桨叶进行流固耦合数值模拟研究。仿真结果表明,格子式桨叶性能和结构稳定性最差,相同工况其变形和应力最大,随着工况的变化变形与应力的大小变化最为明显;八字形桨叶性能和结构稳定性最好,载荷冲击下其变形和应力最小,随着工况的变化变形和应力的大小变化最小;桨叶转速对变形和应力的影响比水流速明显,转速越高则变形和应力越大;高变形区域发生在桨叶边缘,高应力区域则发生在桨叶中心旋转轴及其附近。研究结果为卧式搅拌设备桨叶选型与优化设计提供理论依据。

桨叶结构参数对双行星搅拌混合过程的模拟影响

为探究双行星搅拌机桨叶结构参数对锂电池浆料混合过程的影响,以3 L锂离子电池浆料双行星搅拌机为研究对象,采用standard k-ε模型,通过动网格法开展结构参数对搅拌过程中混合特性影响的数值模拟。结果表明:桨叶的结构参数对循环性能、剪切性能和功率特性均有影响,随着桨叶螺旋角的增大,双行星搅拌机的轴向循环能力提高,径向循环能力降低,且增大螺旋角与减小间隙会增强搅拌机的剪切性能同时增大功耗;在3个混合性能评价指标中,剪切性能受影响最显著,结构参数对剪切特性影响的主次顺序为桨叶螺旋角>桨叶间隙。通过正交试验分析,最优组合为桨叶螺旋角50°、桨叶间隙6 mm。

双层改进型推进式搅拌桨桨间距对 搅拌槽内流场的影响

采用粒子图像测速技术对不同桨间距C_(2)下双层改进型推进式搅拌桨槽内流场特性进行实验研究,并分别采用大涡模拟模型、标准k-ε模型以及RNGk-ε模型对搅拌槽内流场进行模拟预测。研究结果表明,桨间距C_(2)对搅拌槽内流型及速度分布有较大影响。当C_(2)=0.23H(H为液位高度)时,受上桨排出和卷吸作用的影响,下桨区域的旋涡无法成型,搅拌槽内物料混合效果不佳;当C_(2)=0.26H时,上桨叶区的高速区域较C_(2)=0.23H时增大了20%左右,下桨叶区高速区域增大了近25%,下桨叶区开始形成区域自循环;当C_(2)增大到0.29H时,两桨间逐渐出现低速旋涡和流动死区,同时混合效率降低。对比r/T(r/T为周向距离比)=0.4处的无因次化速度分布,发现采用大涡模拟模型得到的模拟结果与搅拌槽内流场的实验结果更接近。研究结果可为双层改进型推进式搅拌桨的实际应用提供参考。

分形排布式穿流搅拌桨强化流体混沌混合行为

为减小混合隔离区、增大混沌混合区、强化流体的混沌混合过程,基于分形理论的自相似特性提出一种具有分形排布式穿流孔的搅拌桨强化流体的混沌混合行为。采用计算流体力学(CFD)和实验相结合的方法探究了流体混合过程中的功耗特性、速度分布、剪切应变率分布、隔离区结构以及Poincare截面。研究结果表明,在相同Reynolds数下,与Rushton桨相比,分形排布式穿流搅拌桨(FAPT)能够有效降低搅拌功耗和功率准数,而且随着穿流孔分形迭代次数的增加,搅拌功耗和功率准数进一步降低。其中,FAPT-1体系的功率准数降低6.57%~12.50%,FAPT-2体系的功率准数降低10.95%~19.32%,FAPT-3体系的功率准数降低15.25%~24.66%。在相同功耗下,与Rushton桨相比,FAPT桨能够增强对流体的剪切作用,增大剪切应变率,减小混合隔离区,缩短流体的混合时间,提高流体的混合效率,而且随着穿流孔分形迭代次数的增加这一效果更为明显。

双层桨搅拌釜气液两相流的混合效果研究

针对双层桨搅拌釜,采用RNG k-ε湍流多相流模型进行模拟,研究了径向流平直式RT桨、轴向流斜叶式PB桨3种组合双层桨的气液两相流动混合特性。RT-RT双层桨在釜内形成几个比较对称、均匀的涡流,导致釜底进入的气相在桨叶中心附近的较低压区域富集;引入轴向流的PB-RT显著提高了两层桨叶间的液相流速,使得搅拌釜内整体的涡流都向气相进口方向移动,提高两层桨叶中间区域的局部气含率,比RT-RT双层桨的整体气含率略高,但搅拌功率下降57%;而PB-PB双层桨具有最高的气含率,但搅拌功率比PB-RT高49%。

双层桨耦合混沌搅拌强化铜渣提取有价金属模拟研究

铜冶炼渣作为火法炼铜生产过程中产生的固体废弃物之一,经常需要大量堆存且难以处理。为了强化铜冶炼渣提取有价金属元素的过程,结合双层刚性组合桨与混沌转速方法,对铜冶炼渣湿法提取有价金属元素工艺过程的固-液混合性能进行水模型研究。结果表明:下层叶轮叶片数量的增加有利于卷起沉底颗粒加快混合过程,但增强复杂的上升流场与均相流场之间的干涉会对固相悬浮产生影响,下层叶轮的上升流场对稳定悬浮时间的影响强于上层叶轮的均相流场,在转速阈值为200 r/min,换速间隔为5 s的Logistic混沌转速条件下,上层桨叶为圆二叶、下层桨叶为圆四叶的搅拌桨对湿法浸出有利,达到稳定悬浮的时间为55.2 s,最多悬浮颗粒数为120粒,混合能耗W、单位混合能耗W*以及单位混合功率P*分别为322.38 J,2.69 J和487.78×10^(-4) J/s,对比各项指标最低值,优化幅度均在10%以上,可在较低能耗下,有效提高铜冶炼渣与浸出液的混合程度,并通过增大反应接触面积,提高有价金属元素的提取效率。

穿流-四斜叶组合桨桨间距对搅拌槽内流场特性的影响

基于计算流体力学中的大涡模拟方法,对不同桨间距C_(2)下的穿流-四斜叶组合桨搅拌槽内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,桨间距对两桨叶之间的连接流作用及整体混合效果的影响较大。C_(2)=0.24H(H为搅拌槽高度)时两桨叶之间的连接流较为稳定,但搅拌槽上层区域流动较差;当C_(2)增大到0.29H时,搅拌槽内两搅拌桨间的连接流呈现S型,整体的混合能力更强;当C_(2)增大到0.34H时,两桨叶间的连接流能力减弱,且搅拌槽内的流型依据搅拌桨位置分化为上下2个较大的局部混合区域。

多层桨搅拌槽内的宏观混合特性

在直径为0.476 m的搅拌槽内,采用电导法测定搅拌槽内单层桨和多层桨体系的混合时间。对于单层桨体系,在相同的搅拌输入功率下,不同类型的径向流桨和轴向流桨具有相同的混合时间。对于窄叶翼型CBY搅拌桨,在相同的搅拌输入功率下,单层、双层以及三层CBY搅拌桨的混合时间基本相同;而对于六直叶涡轮桨DT-6,在相同的搅拌输入功率下其混合时间随桨叶层数的增加而加长;多层CBY桨的混合时间远低于多层DT-6搅拌桨的混合时间。

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

合理设计搅拌反应器的桨叶,强化流体流动与混合行为,是实现流体高效、节能混合的重要手段。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚-柔组合搅拌桨。结合PIV流场观测和CFD模拟,对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨对流场结构及流体混沌混合行为的影响。结果表明,与刚性搅拌桨相比,刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递,流体流速衰减速率降低25%,有利于搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子,其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质,其流场分形维数为1.9337,而刚-柔组合六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质,其流场分形维数为1.9545。刚-柔组合搅拌桨可改变流体流线的吸引子来调控流场的多尺度结构,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。

搅拌槽内近桨区流动场的数值研究

利用滑移网格方法,采用三种不同密度的网格,计算了六直叶涡轮搅拌桨的三维流动场。利用数值方法得到了桨叶附近流动场中所产生的尾涡,并将不同密度网格下的数值模拟结果与实验数据进行了比较。计算结果表明,在高密度的网格下可以清楚地观察到桨叶附近所产生的尾涡,其大小与实验结果一致,但尾涡衰减较快;叶端的径向与切向速度分布与实验值吻合较好,加密网格对最大径向及切向速度的预测精度有明显提高;即使采用很高的网格密度,对湍流动能的预测仍然偏低。

刚柔组合搅拌桨与刚性桨调控流场结构的对比

高黏度流体处于层流状态时,普遍存在的混合隔离区,降低了流体的混合效率。减小或消除隔离区,是实现流体高效混合的基本途径。采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对刚性六直叶涡轮桨(刚性桨)和刚柔组合六直叶涡轮桨(组合桨)的流场结构进行研究,对比分析了两种桨叶在相同功耗(3 kW·m-3)时的轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布散点图。结果表明,刚性桨的能量集中在桨叶尖端部分,远离桨叶区域的流体速度很小甚至为0 m·s-1;而组合桨可将能量从桨叶尖端扩散至全槽,使槽内流体均具有一定的流速,提高了混合效率,且显色实验与数值模拟结果一致,组合桨体系的混合隔离区在短时间内就可消除,混合良好,而刚性桨体系的混合隔离区始终存在,混合效果不佳。

JH型轴流式搅拌桨流场分析及设计

通过对一组不同几何尺寸的扭弯叶片———ＪＨ 轴流桨及４５°三叶折叶桨搅拌流场、功率的测试对比及分析， 分析了桨叶安装高度对桨叶性能的影响。该新型轴流式搅拌桨具有轴流特性好、流场分布均匀、省功节能及流体传输距离远等特点，

泛能式搅拌桨搅拌特性研究

在直径为 2 4 0mm的搅拌釜内 ,考察了泛能式搅拌桨的功率、传热特性 ,混合实验在直径为 386mm的搅拌釜中进行。在层流域内 ,建立了功率准数Np 与桨几何尺寸及雷诺准数Re的关联式 ;得到了努塞尔准数Nu与桨几何尺寸、雷诺准数Re、普朗特准数Pr以及体系粘度的关系 ,并采用单位质量流体表示的雷诺准数εD4/ν3 取代雷诺准数关联 ,误差均在 10 %以内。在中低粘度区内相同功耗下 ,泛能式桨的传热系数明显高于螺带桨。当Re >3时 ,泛能式桨的混合效率比双螺带桨要高。

刚柔组合搅拌桨强化搅拌槽中流体混沌混合

搅拌槽内普遍存在着两种不同类型的混合区域:混沌混合区和规则区。增大混沌混合区,是提高流体混合效率、降低搅拌过程能耗的重要途径。而合理设计搅拌桨有助于流体形成适宜的流动状态,实现混沌混合。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚柔组合搅拌桨,可强化流体混沌混合行为。结合Matlab软件,实验研究了双层桨搅拌槽内自来水体系的最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE)的变化规律,对比分析了刚性桨和刚柔组合桨两种桨叶对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨强化流体的运动特性,使更多流体进入混沌混合状态。在转速为210 r·min-1时,流体的混沌混合达到最佳状态,刚性桨体系的LLE为0.041,而刚柔组合桨体系的LLE为0.048;刚柔组合桨可有效耗散能量,使整个槽体的能量分布均匀,刚柔组合桨在150 r·min-1时的多尺度熵率与刚性桨在210 r·min-1时基本相近;刚柔组合桨体系的混合时间均低于刚性桨体系,在转速为120 r·min-1时,刚柔组合桨使流体的混合时间缩短了26%左右。刚柔组合桨可改变流场结构和能量耗散方式,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。

刚柔组合搅拌桨强化流体混合的流固耦合行为

传统刚性搅拌桨通过对流体的剪切作用实现能量的传递,而刚柔组合搅拌桨可通过其多体运动行为强化能量传递。基于搅拌桨桨叶与流体之间的耦合运动作用,结合ANSYS Workbench仿真平台,采用双向流固耦合方法,模拟计算了刚性搅拌桨与刚柔组合搅拌桨桨叶的等效应力和总变形量,研究了流场的宏观结构;并通过测定混合时间和计算搅拌桨功耗对比分析了两种不同搅拌体系的混合行为。结果表明:刚柔组合搅拌桨使体系的混合时间缩短了近32%,搅拌桨功耗下降了7%,其桨叶尖端的变形量是刚性搅拌桨的105倍,其应力比刚性搅拌桨增加了83%;与刚性搅拌桨相比,刚柔组合搅拌桨在流固耦合作用下对流体的作用力更大,能够更好地传递能量,增强流体运动,强化流体混合。

偏心空气射流双层桨搅拌反应器流场结构的分形特征

搅拌槽内流场分为混沌混合区和隔离区。为提高搅拌槽内流体的混合效率、降低搅拌过程的能耗,调控流场结构特征是重要的途径。结合图像处理软件,实验研究了偏心空气射流双层桨搅拌槽内空气-水体系的流场结构分形维数的变化规律。实验结果表明,流场结构分形维数受搅拌转速和空气流速的共同作用;偏心空气射流能改变流场结构分形维数,使流体混沌混合特性增强;机械搅拌转速增大,能改变射流场的拟序结构,提高气液混合效率。