【正文】 （3）對(duì)于攪拌槳轉(zhuǎn)速變。（2）對(duì)于攪拌槳浸入深度情況，隨著攪拌槳浸入深度的增加，混合機(jī)內(nèi)渦的深度逐漸減少，使得混合機(jī)槳葉上部液體不能很好的混合，而浸入深度過(guò)淺，混合機(jī)下部液體不能充分混合，同時(shí)液面上部空氣會(huì)接觸到槳葉，隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)，會(huì)使部分空氣卷入到流體內(nèi)部，使混合效果較差。顧欣月： 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬406 結(jié)論與展望 結(jié)論本文采用 VOF 模型，對(duì)混合機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取到了不同條件下的混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性：（1）對(duì)于攪拌槳型變化情況，混合機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的形成和維持主要靠切向流，當(dāng)槳葉長(zhǎng)度增加時(shí)，攪拌槳旋轉(zhuǎn)的角速度不變，槳葉端面處線速度增大，此處流體的動(dòng)量也隨之增大，于是導(dǎo)致整個(gè)流體流動(dòng)更加劇烈。旋渦越深，渦周圍液面高度就會(huì)增加，因此必須控制轉(zhuǎn)速大小，避免由于轉(zhuǎn)速過(guò)大引發(fā)液體溢出現(xiàn)象的發(fā)生。液面處旋渦的形成主要是由軸向速度大小決定，而軸向速度的動(dòng)力是由攪拌槳轉(zhuǎn)速提供的。測(cè)點(diǎn)二上的速度較測(cè)點(diǎn)一上的速度值大，因此測(cè)點(diǎn)二的混合效果比較理想，而測(cè)點(diǎn)一出于攪拌“死區(qū)” ，整個(gè)區(qū)域的速度值較小，混合效果較差。 (b) 測(cè)點(diǎn)二 Velocity distribution of measuring points at different rotating speed(a) point1。圖 516 混合機(jī)內(nèi)兩測(cè)點(diǎn)分布圖 Two point distribution map in the mixing machine 讀取不同轉(zhuǎn)速下兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度變化情況得出下圖 517。這個(gè)區(qū)域內(nèi)液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小，湍動(dòng)能值也較小，混合情況隨之變差，這是中心攪拌存在的一個(gè)缺點(diǎn)。在靠近壁面處，由于流動(dòng)邊界層的存在，速度值也比較小，壁面和底面交界處，流動(dòng)不是很充分，速度值同樣偏小。（2）攪拌槳的轉(zhuǎn)速對(duì)混合機(jī)內(nèi)速度場(chǎng)分布的影響取過(guò)混合機(jī)中心的垂直截面，得出此截面上的等速度分布圖 515。為了保證液面處混合效果，必須控制旋渦的大小，使旋渦深度盡量減小，同時(shí)如果旋渦較深，可能導(dǎo)致液面上方的氣體接觸到攪拌槳上方，一部分空氣會(huì)隨著攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入液體內(nèi)部，影響整體混合效果。表 53 不同浸入深度情況下渦深數(shù)據(jù) Depth of vortex in different immersion depth攪拌槳旋轉(zhuǎn)速度（rpm） 80 100 120 140 160渦深（ 103m） 130 180 230 300 380圖 514 不同轉(zhuǎn)速下渦深散點(diǎn)圖 Depth of vortex at different rotating speed遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）37如圖513 和514所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏小時(shí)，攪拌槳葉片給液體的徑向速度較小，同時(shí)導(dǎo)致液體的軸向速度減小。取過(guò)混合機(jī)中心的垂直截面，得出此截面上的兩相分布圖 513。 結(jié)論綜上所述，隨著攪拌槳浸入深度的增加，混合機(jī)內(nèi)渦的深度逐漸減少，原因是由于攪拌槳浸入深度的增加，使得混合機(jī)內(nèi)液體不能很好的混合，而混合機(jī)內(nèi)部速度場(chǎng)分布不均勻，如果浸入深度過(guò)淺，混合機(jī)下部液體不能充分混合，如果浸入深度過(guò)深，混合機(jī)上部液體不能充分混合，因此選擇較合適的浸入深度，要使混合機(jī)內(nèi)整個(gè)液體都能進(jìn)行充分混合，對(duì)混合機(jī)的性能有重要的影響。而切向速度值較大，與前兩個(gè)速度相比有數(shù)量級(jí)上的差別，起到一個(gè)主導(dǎo)作用。 (c) Tangential Velocity。 (d) Velocity Magnitude （a） （b） （c） （d）遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）35圖512 不同浸入深度情況下測(cè)點(diǎn)2上各向速度分布(a) 軸向速度；(b) 徑向速度；(c) 切向速度；(d) 合成速度 Velocity distribution on measuring point 2 in different immersion depth(a) Axial Velocity。 (b) Radial Velocity。 模擬混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的結(jié)果分析取測(cè)點(diǎn)一（0,0,50）和測(cè)點(diǎn)二（160,0,50） ，分別讀取不同浸入深度下的軸向速度、徑向速度、切線速度、合成速度。當(dāng)浸入深度為 180mm 時(shí)，混合機(jī)上部速度值不是很高，不利于混合反應(yīng)的進(jìn)行。 （a） （b） （c） （d） （e） 圖 59 不同浸入深度情況下豎直截面上的等速度分布（a ）100mm；（b）120mm；（c）140mm；（d）160mm；（e）180mm；Fig. 59 Constant velocity distribution on vertical crosssection in different immersion depth（a ）100mm；（b）120mm；（c）140mm；（d）160mm；（e）180mm；如圖 59 所示，混合機(jī)內(nèi)速度最大值處于攪拌槳葉片端面處。當(dāng)浸入深度增加時(shí)，這部分軸向流向上運(yùn)動(dòng)遇到的阻力會(huì)增大，所以造成了渦深減小的現(xiàn)象。表 52 不同浸入深度情況下渦深數(shù)據(jù) Depth of vortex in different immersion depth浸入深度（10 3m） 100 120 140 160 180渦深（ 103m） 240 235 230 220 215顧欣月： 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬32圖 58 不同浸入深度情況下渦深散點(diǎn)圖 Depth of vortex in different immersion depth如圖 58，隨著浸入深度的增加，渦深逐漸減小，前三個(gè)點(diǎn)減小趨勢(shì)較小，后兩個(gè)點(diǎn)減小趨勢(shì)比較大。取過(guò)混合機(jī)中心的垂直截面，得出此截面上的兩相分布圖 57。因此，選用合適的攪拌槳長(zhǎng)度，對(duì)混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的特性有重要的影響。而測(cè)點(diǎn)二的速度由于槳葉長(zhǎng)度的增加，速度明顯增大，如果槳葉長(zhǎng)度太長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)二的速度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致溢出現(xiàn)象。遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）29圖 54 混合機(jī)內(nèi)兩側(cè)點(diǎn)分布圖 Two point distribution map in the mixing machine 分析在不同葉片長(zhǎng)度情況下，該兩測(cè)點(diǎn)的速度分布散如圖 55 和 56 所示。在這五個(gè)槳型中，可以清楚的看到，在速度值大小和分布均勻程度上，槳型三都占有很明顯的優(yōu)勢(shì)，其他槳型混合效果較差。內(nèi)部流場(chǎng)速度的最大值都是出于槳葉端面處，靠近壁面和底面處的值也較小，這些區(qū)域的混合效果會(huì)比較差。（e ）impeller shape5。 （c）impeller shape3。 顧欣月： 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬28 （a） （b） （c） （d） （e）圖 53 不同槳葉長(zhǎng)度情況下豎直截面上的等速度分布（a ）槳型一；（b）槳型二；（c）槳型三；（d）槳型四；（e）槳型五；Fig. 53 Constant velocity distribution on vertical crosssection in different mixing blades length（a ）impeller shape1。要注意槳葉長(zhǎng)度不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)使混合機(jī)內(nèi)液面升高，發(fā)生溢出現(xiàn)象。表 51 不同槳葉長(zhǎng)度情況下渦深數(shù)據(jù) Depth of vortex in different mixing blades length葉片長(zhǎng)度（602510 3m）200 220 240 260 280渦深（ 103m） 165 200 250 270 320圖 52 不同槳葉長(zhǎng)度情況下渦深散點(diǎn)圖 Depth of vortex in different mixing blades length如圖 52，槳型變化，槳葉長(zhǎng)度增加，渦的深度基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。（e ）impeller shape5。 （c）impeller shape3。 （a） （b） （c） （d） （e）圖 51 不同槳葉長(zhǎng)度情況下豎直截面上的兩相分布（a ）槳型一；（b）槳型二；（c）槳型三；（d）槳型四；（e）槳型五；Fig. 51 Twophase distribution on vertical crosssection in different mixing blades length（a ）impeller shape1。顧欣月： 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬265 基于 FLUENT 對(duì)混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與討論分析 攪拌槳的形狀對(duì)混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性的影響 利用 FLUENT 對(duì)混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬（1）槳型變化對(duì)混合機(jī)內(nèi)渦深的影響保持?jǐn)嚢铦{轉(zhuǎn)速（120rpm） 、攪拌漿深度（340mm）和葉片的寬度和厚度（60mm 25mm）不變時(shí)，改變攪拌葉片長(zhǎng)度。 主要參數(shù)設(shè)置 流體介質(zhì)（1）混合器下部：水（填充高度約為 2/3 容器高） ；（2）混合器上部：空氣；（3）壓力：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 ；aaPp10325?（4）重力：。FLUENT 為多相流的模擬提供了 VOF 模型、混合模型和歐拉模型 [29]，其中混合模型和歐拉模型適用于有相的混合或者分離的情況，而VOF 模型適用于有分層的多相流場(chǎng)模擬。據(jù)此，本研究選用 湍流模型。 提供了 、 、 等多種湍流模型。由于滑動(dòng)網(wǎng)格模型假定流動(dòng)是不穩(wěn)定的，必須采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解，所以，其計(jì)算要求更為苛刻，計(jì)算量更為龐大。相反，滑動(dòng)網(wǎng)格模型假定流動(dòng)是不穩(wěn)定的，可更為真實(shí)地模擬運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件間的相互作用，流場(chǎng)求解精度高。顧欣月： 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬24FLUENT 提供了單一旋轉(zhuǎn)系、多參考系、混合平面、滑動(dòng)網(wǎng)格模型 [2526]求解此類問(wèn)題。為兼顧計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間，在漿片區(qū)域的網(wǎng)格尺寸采用 15，其他區(qū)域采用 20，劃分網(wǎng)格后的混合機(jī)的幾何造型如圖 42。（三）槳葉轉(zhuǎn)速變化：攪拌槳型采用 240mm 60mm 25mm，浸入深度采用 140mm，轉(zhuǎn)?速分別取 80rpm、100rpm、120rpm、140rpm、160rpm。（一）槳型變化：轉(zhuǎn)速取 120rpm，浸入深度取 140mm（攪拌槳上表面距離初始液面的距離） ，槳型采用（1）200mm 60mm 25mm， （2） 220mm 60mm 25mm， （3）240mm 60mm???25mm， （4） 260mm 60mm 25mm， （5）280mm 60mm 25mm，槳葉的寬度和厚度不變。圖 41 混合機(jī)設(shè)備示意圖 Mixing machine equipment diagram混合機(jī)的幾何尺寸如下：（1）圓柱形容器內(nèi)徑(D)=400mm；（2）圓柱形容器高（H）=450mm；（3）容器內(nèi)水面高（M）=320mm；（4）漿片 3 片，相交為 60 度，寬 厚=60mm 25mm，長(zhǎng)待定；?（5）攪拌槳浸入深度不定；（6）漿葉旋轉(zhuǎn)角速度不定。??k顧欣月： 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬224 混合機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬 運(yùn)用 Gambit 構(gòu)建混合機(jī)的三維建模本研究基于 仿真軟件，模擬所選用混合機(jī)的幾何造型與網(wǎng)格劃分采用gambit 軟件完成。由于這些修改，把它應(yīng)用于多重參考系系統(tǒng)中需要注意。這是因?yàn)?Realizable 模型在定義湍流粘度時(shí)考慮了平均旋度??k的影響。由于 Realizable 模型是新出現(xiàn)的模型，并沒有確鑿的證據(jù)表明它比 RNG 模型有更好的效果。??k??kRealizable 模型湍流動(dòng)能方程： （3???????????kjefkii Gxxut )()()31）湍流擴(kuò)散方程： （2??????? vkCExxut jktii ????????21])[()()32）其中： ， ， ， ， ，?k?2.?)5,(1???kEij2/1)(??。該模型比起標(biāo)準(zhǔn) 模型來(lái)有三個(gè)主要的不?C ??k同點(diǎn)：①湍流粘性計(jì)算公式發(fā)生變化，引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容；② 方程發(fā)生了很大變化，方程中的產(chǎn)生項(xiàng)不再包含有 方程中的產(chǎn)生項(xiàng) ，這樣，? kkG現(xiàn)在的形式更好地表示了光譜的能量轉(zhuǎn)換；③ 方程中的倒數(shù)第二項(xiàng)不具有任何奇異性，即 值很小或?yàn)榱銜r(shí)，分母也不會(huì)為零。RNG 模型的湍流動(dòng)能方程：??k （2())()ikefkjjkuGtxx???????????29）湍流擴(kuò)散方程： （221())()ief kjjuCtxx??????????????30）其中：， ， ， ， ， ，???k 084