200 m^(3)透明质酸生物反应器的流场模拟

随着透明质酸市场规模不断扩大,发酵生产透明质酸产量日益增多,为了对大型透明质酸生物反应器的放大设计提供理论依据,该文将透明质酸发酵液视为非牛顿流体,使用剪切应力输运模型对200 m^(3)生物反应器中不同搅拌器组合下的流场进行模拟建模。计算结果表明,使用斜叶桨式搅拌器流速最低,功耗最低,三折叶桨式搅拌器流速最高,流体流动性增强效果最好,功耗最高;弧叶圆盘涡轮搅拌器流体流速分布好于直叶圆盘涡轮搅拌器,功耗更低,更适合作为发酵罐底桨。综合流场分布,表观黏度分布以及轴功率数据考虑,选定最佳桨叶组合为三层三折叶桨式搅拌器+弧叶圆盘涡轮搅拌器进行发酵试生产,经过24 h发酵,透明质酸产率达到12.53 g/L。为工业高黏物料生物反应器放大设计提供了思路。

改进型三斜叶-Rushton组合桨槽内流场特性的粒子图像测速技术

通过粒子图像测速技术(PIV)对装配三斜叶-Rushton组合桨搅拌槽内流场进行了实验研究,在甘油-水溶液中研究了该组合桨在不同转速N、离底距C_(1)以及桨叶间距C_(2)时的槽内流场变化情况。研究结果表明:当转速N=100 r·min^(-1)时,上桨叶区的混合效果有所改善,桨叶间速度分布相对均匀;当离底距C_(1)=0.3H时,上桨叶区低速区域最小,搅拌槽内的混合效果达到最佳;当桨间距C_(2)=0.25H时,上桨叶区的低速区得到改善,混合效果有所提升,两桨叶间速度分布趋于平稳有利于混合和传质。

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。

搅拌槽内两种桨型组合固液悬浮的数值模拟

本文对工业搅拌罐内原搅拌桨型组合和改造的搅拌桨型组合产生的固液两相流动进行了数值模拟,通过对原搅拌方案和改造后的搅拌方案搅拌罐内所形成的流场、固含率分布以及功率消耗等方面的分析,发现改造方案底层桨叶排出流体的倾斜角更大,形成的搅拌循环更高。原方案搅拌罐内底部固含率很高,从下往上固含率逐渐降低,而搅拌桨型组合改造方案能够形成比较均匀的固含率。改造方案的固液悬浮效果更好,并且改造后的搅拌功率没有增加。

新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响

基于计算流体动力学(CFD)中的标准k-ε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(PIV)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二折叶桨为分界形成向上向下2个循环流;层间距对釜内流动特性影响较大,当层间距从C_(2)=0.47H增长为C_(2)=0.49H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C_(2)=0.53H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4种工况中,层间距C_(2)=0.49H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。

带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨搅拌釜内传热性能

基于计算流体力学(CFD)模拟与传热实验相结合的方法,对带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨在内加热盘管搅拌釜的传热性能进行研究,获得搅拌釜内的流场分布、温度分布、温度边界层和盘管外侧的努塞尔数。研究表明,实验与数值模拟的温度误差在4K以内。搅拌釜内高温区位于盘管处循环大涡流区,釜内最大温差保持在3K以内。稳定翼可提高流体轴向循环性能,能够使搅拌釜内温度分布更加均匀。内盘管外侧XZ平面和YZ平面的平均温度边界层厚度分别为3.01mm和2.70mm。通过实验与数值模拟方法得到不同因素对内盘管外侧努塞尔数的影响,其顺序为:搅拌介质黏度>搅拌转速>桨叶间距>离底距离,实验与模拟的努塞尔数最大误差为14.56%,最小误差为4.23%,实验结果很好地验证了数值模拟的可行性。研究结果可为带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨应用于实际工业中提供参考。

刚柔组合桨搅拌强化锰矿浸出数值模拟

通过CFD软件对以SO_(2)气体为还原剂的锰矿浸出过程进行数值模拟,对比刚性单桨、刚性双桨及刚柔组合桨对于气-固-液三相混合强化作用。通过对固相及气相浓度云图分析,比较三种不同结构配置的搅拌反应器对固体颗粒悬浮和气体分散的作用大小,并对搅拌反应器内宏观、介观及其微观混合性能通过轴向和纵向的速度、湍动能及湍动能耗散率进行对比分析。结果表明:刚柔组合桨流场内并未出现颗粒团聚、气体分散不均等现象,并在流场上部对于颗粒悬浮及气体分散作用明显要强于单轴单桨及单轴双桨;刚柔组合桨的宏观、介观及其微观混合性能的表现均优于单轴单桨及单轴双桨。

2斜叶-框式组合桨釜内流场实验研究

为将2斜叶-框式组合桨高效应用于实际工程,课题组以不同质量分数的甘油-水溶液为搅拌介质,通过粒子图像测速技术(PIV)对该改进型框式组合桨搅拌釜内的流动特性进行实验研究,分析了桨间距、顶桨直径和搅拌介质黏度变化对釜内流场产生的影响。研究结果表明:随着桨间距的增加,2桨叶间流体的循环效果先增强后减弱,桨间距C_(2)=0.52H时2桨叶配合最佳;顶桨直径D_(1)=250 mm时形成2个涡合能力较好的涡流,此时釜内流体的整体混合情况较好;随着黏度的增大,2桨叶间扰动增强,整个搅拌釜内速度分布变得更加均匀,表明改进型框式组合桨更适用于黏度较高的溶液中。研究结果可为2斜叶-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。

改进型框式组合桨内盘管搅拌釜内流场数值模拟

通过计算流体动力学软件对改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜内的流场进行了数值模拟,研究了在不同转速N、离底距C1下釜内的流场。研究结果表明,随着转速的增加,桨叶对内盘管的冲刷作用增强,内盘管附近的低速区会逐渐减小,促进了内盘管附近流体的混合;在C1=125 mm时,内盘管向下的导流作用明显,增加了搅拌釜底部壁面速度,有利于搅拌釜底部壁面附近流体的混合。将模拟得出的搅拌桨功率准数Np与实验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性。研究结果可为类似改进型框式组合桨在带内盘管搅拌釜的结构优化提供参考。

Investigation on Centrifugal Impeller in an Axial-radial Combined Compressor with Inlet Distortion

Assembling an axial rotor and a stator at centrifugal compressor upstream to build an axial-radial combined compressor could achieve high pressure ratio and efficiency by appropriate size augment.Then upstream potential flow and wake effect appear at centrifugal impeller inlet.In this paper,the axial-radial compressor is unsteadily simulated by three-dimensional Reynolds averaged Navier-Stokes equations with uniform and circumferential distorted total pressure inlet condition to investigate upstream effect on radial rotor.The results show that spanwise nonuniform total pressure distribution is generated and radial and circumferential combined distortion is formed at centrifugal rotor inlet.The upstream stator wake deflects to rotor rotation direction and decreases with blade span increases.Circumferential distortion causes different separated flow formations at different pitch positions.The tip leakage vortex is suppressed in centrifugal blade passages.Under distorted inlet condition,flow direction of centrifugal impeller leading edge upstream varies evidently near hub and shroud but varies slightly at mid-span.In addition,compressor stage inlet distortion produces remarkable effect on blade loading of centrifugal blade both along chordwise and pitchwise.

基于CFD的多层桨叶组合搅拌器的优化

针对50 L发酵罐搅拌器组合选择类型复杂多变的问题,设计4种不同桨叶组合的三层搅拌桨模型,运用CFD软件对设计的4种组合桨发酵罐进行气液两相流数值模拟。通过对发酵罐中有无通气进行比较,研究通气对罐内流场的影响,并对通气后不同桨叶组合下的液相速度云图、搅拌功耗、体积传质系数以及气相体积分数进行分析,选取混合效果最好的桨叶组合。结果表明:通气会使罐内流场的轴向速度增强;通气条件下不同桨叶组合产生的流场特性会有所不同,上下层桨叶为径向流桨叶,中层桨叶为轴向流桨叶的桨叶组合所形成的流场速度分布更加均匀,能为发酵罐在搅拌过程中物质的扩散与混合提供更好的条件;不同的桨叶组合会产生不同的KLa值;下桨叶选择六直叶圆盘涡轮桨的桨叶组合其气体分布更加均匀;在搅拌功率方面,搅拌组合B功耗最高,搅拌组合D功耗相对较低,且在三个轴向流桨叶中螺旋桨功耗最低,综合分析选取组合D为最优桨叶组合。研究结果可为气液两相流发酵罐的设计与选择提供理论依据。

微波-刚柔组合桨强化软锰矿浸出实验研究

用黄铁矿-硫酸还原浸出软锰矿过程中存在锰浸出率低、硫转化不完全等问题,本研究将微波-刚柔组合桨作为强化手段应用于软锰矿的还原浸出过程,结果表明:在反应温度90℃,硫酸浓度1.5mol/L、黄铁矿与软锰矿质量比0.2、液固比10、微波功率550W、搅拌速率250r/min条件下反应180min,浸出率可达到91.64%。该工艺可以有效减少反应中硫单质的生成,提高浸出效率。

带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内转速对流场的影响

利用计算流体力学(CFD)对带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内流场进行数值模拟,分析了不同转速下釜内流型、速度场、湍动能的变化规律。研究结果表明:搅拌器转速显著影响釜内流场和湍动能的分布,转速N=110 r/min时,釜内流型为径向流,稳定翼的切割推流作用表现明显,在釜内组合桨中间区域形成了一个高速涡旋,釜内流型为最佳流型;在该转速条件下釜内低速区趋近消失,速度分布合理;此时釜内上部和釜底的湍动能分层消失,釜内流体整体湍动程度较高,混合效果明显增强。

新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟

基于同心双轴搅拌器的结构与运行特点,建立了兼顾其流动、混合过程的三维数学模型,并以过程工业应用较多的两种不同尺寸双层组合桨作为内桨、框式桨作为外桨构成的同心双轴搅拌器为研究对象,数值模拟了其在中高黏牛顿流体中同向及反向转动模式的功率特性、流场特性及混合特性。模拟结果表明,同向转动模式下,整个系统的搅拌功耗更小、混合效率更高;外桨功耗受内桨影响较大,一般随内桨转速的增大,恒速外桨的功耗同向转动时会减小、反向转动时会增大;对由桨式搅拌器构成的组合式内桨而言,当内桨直径与釜体直径之比为0.35左右时,相同Reynolds数下的单位体积混合能更小;中高黏牛顿流体中,同心双轴搅拌器的内桨采用上层六斜叶桨+下层六直叶桨的组合形式时更高效节能,仅在体系Reynolds数小于36时,上层二斜叶桨+下层二直叶桨的内桨组合形式才具有相对优势。

刚柔组合桨强化软锰矿浸出过程的反应动力学特性

在软锰矿湿法浸出过程中,采用传统搅拌桨反应器,容易出现流体“打旋”现象,导致传质效果差,进而降低反应效率。因而,本研究将刚柔组合桨应用于软锰矿的还原浸出过程,强化浸出过程的传质行为,提高锰矿浸出率。结果表明,在黄铁矿与软锰矿质量比为0.20,硫酸浓度为1.5 mol/L,液固比为10,温度为363 K下,软锰矿中锰的浸出率达到90.12%,与传统桨叶相比,锰浸出率提高5.5%。同时,研究发现浸出过程遵循核收缩模型且受表面化学反应控制,黄铁矿与软锰矿质量比、初始硫酸浓度、液固比的反应级数分别为1.2679、0.4182、1.1959,反应动力学方程为1-(1-X)^(1/3)=0.96×10^(3)(m_(FeS_(2))/m_(MnO_(2)))^(1.2679)[H_(2)SO_(4)]^(0.4182)(L/S)1.1959exp(-41.75×103/RT)t,浸出反应的表观活化能为41.75 kJ/mol。刚柔组合桨体系下的软锰矿浸出反应表观活化能相比传统搅拌体系下的软锰矿浸出反应表观活化能的文献报道值降低4.515~20.54 kJ/mol。

自浮颗粒三相体系的搅拌混合技术(Ⅰ)——搅拌桨的影响

研究了搅拌桨型对自浮颗粒三相体系的搅拌混合的功耗、气含率和釜底固含量等的影响，发现液高与釜径比大于１．６时三层桨的混合参数优于两层桨的，提出了最佳的搅拌桨型组合。

穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合

运用Lab View和Matlab软件分别采集和处理穿流式刚-柔组合搅拌桨扰动澄清槽中油-水两相流体内部的压力脉动信号,得出的最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),反映流体内部的混沌程度;同时采用流场可视化技术观测流体混合状态。结果表明,相比于刚性组合桨,穿流式刚-柔组合搅拌桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用改变流场的结构和能量耗散方式,使流体的混沌程度和混合状态都优于刚性组合桨。当转速为88 r·min-1时,流体的混沌混合都达到最佳状态,各实验条件下的LLE均大于零,表明流场混合体系已进入混沌状态,且穿流式刚-柔组合搅拌桨体系的MSE明显高于刚性组合桨体系,说明穿流式刚-柔组合搅拌桨的混合效果优于刚性组合桨。另外,柔性片上穿流孔的数目和柔性桨叶的厚度对流场的混沌特性也有明显的影响。

双层桨搅拌槽内局部气液分散特性研究

采用电导电极探针法对双层组合桨搅拌槽内局部气含率分布规律进行了研究.结果表明,在槽底区和叶轮区,局部气含率沿径向分别增加和减小;而在其他区域,局部气含率沿径向先增加后减小.随着通气量的增加,槽内大部分区域的局部气含率增加,槽底区的局部气含率减小;随着搅拌转速的增加,上循环区局部气含率基本不变,其他区域的局部气含率增加.采用标准方差法对局部气含率分布的均匀性进行了分析.随着通气量的增加,搅拌槽内局部气含率分布均匀性减小,但减小的趋势变缓,并最终趋于不变.随着搅拌转速的增加,局部气含率分布均匀性增加,达到一定搅拌转速后趋于不变.实验回归了大通气量下平均气含率随通气量和单位体积液体功率消耗的关联式.

一体式诱导轮与叶轮航空离心泵汽蚀特性研究

为研究一体式诱导轮与叶轮航空燃油离心泵的汽蚀特性,对该型离心泵进行了汽蚀特性研究。首先在泵的设计中进行了汽蚀特性理论计算;进而通过CFD软件Pumplinx对该型号泵进行了汽蚀性能数值模拟,研究了最差汽蚀工况下的汽蚀特性;然后针对不同汽蚀余量值给出离心泵不同状态下的气液两相分布;最后对离心泵的流量-临界汽蚀余量曲线进行预测,并与理论计算值、试验数据进行对比。研究表明,当进口压力为0.013177MPa时,一体式诱导轮与叶轮航空燃油离心泵产生临界汽蚀状态,小于技术要求最小进口压力0.0325MPa,因此该泵在其工作范围内不会产生汽蚀现象。不同流量下离心泵理论计算与数值模拟的汽蚀特性曲线与试验数据吻合,满足高汽蚀特性需求。

7075铝合金旋转喷吹精炼工艺的研究

采用正交试验的方法,研究了旋转喷吹精炼工艺中的气体流量、转子转速、精炼时间和静置时间4个参数对7075铝合金精炼效果的影响;采用对比试验研究了C2Cl6精炼工艺、旋转喷吹精炼工艺及C2Cl6+旋转喷吹精炼的混合工艺对7075铝合金除气效果的影响。结果表明,转子转速对除气效果的影响最大,气体流量、精炼时间次之,静置时间的影响最小,优选出的最佳方案是转子转速为400r/min,气体流量为0.4mL/h,精炼时间为15min,静置时间为6min;采用C2Cl6精炼除氢率为34.5左右,采用旋转喷吹精炼除氢率为70左右,采用C2Cl6+旋转喷吹精炼的混合工艺除气效果最佳,除氢率为78左右。各精炼工艺对合金力学性能的影响也不同,C2Cl6+旋转喷吹混合精炼的铝合金试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率均最高,旋转喷吹精炼的次之,C2Cl6精炼的最低。