1、分類號密級單位代碼學號學生畢業設計（論文）題目槳葉高度對攪拌槽內流動場的影響作者院（系）專業指導教師答辯日期榆林學院畢業設計（論文）誠信責任書本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計（論文），是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業設計（論文）中凡引用他人已經發表或未發表的成果、數據、觀點等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其它個人或集體已經公開發表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人畢業設計（論文）與資料若有不實，愿意承擔一切相關的法律責任。論文作者簽名：月日榆林學院本科畢業論文摘要攪拌設備在化工、生

2、物、制藥、材料加工以及食品加工等領域中有著非常廣泛的應用，尤其是在石油化工生產中用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應等。攪拌操作是工業反應過程中的重要環節，在促進槽內物料流動，使攪拌槽內物料均勻分布的同時，能夠增大傳熱和傳質系數，加速反應的進行。論文采用計算流體動力學（CFD）技術對攪拌槽內的流動場進行了數值模擬，研究了6DT、6PDTU及6PDTD三種攪拌槳在槳葉高度為100mm、130mm、170mm時攪拌槽內流體的流場特性。結果表明：（1）對于三種槳葉，攪拌槽內均形成兩個漩渦，且隨著槳葉高度的增加，上下漩渦的分界面上移，上部漩渦變小，下部漩渦增大；（2）對于三種槳葉，隨著槳葉高

3、度的增加，攪拌槽內湍流區域增大，整體混合效果更好。（3）對于三種槳葉，隨著槳葉高度的增加，所需攪拌功率下降，說明槳葉高度越高，流體在流動過程中的能量損失越小。關鍵詞：攪拌槽；計算流體動力學；槳葉高度；流動場；攪拌功率I榆林學院本科畢業論文NumericalAnalysisoftheFlowFieldofStirredTankwithDifferentImpellerHeightABSTRACTStirringequipmentsarewidelyappliedinchemicalindustry,biologicalengineering,pharmaceuticalengineering,m

4、aterialsprocessing,foodprocessing,etc.Especially,theyareusedformaterialsmixing,dissolving,heattransferring,preparationofsuspensionandpolymerizationreactionsinthepetrochemicalproduction.Stirringoperationisanimportantpartoftheindustryreactionprocess,itcanpromotetheflowingofmaterialsandmakematerialsdis

5、tributingevenlyinthestirredtank.Atthesametime,itcanincreasethecoefficientofheatandmasstransferandacceleratethereaction.TheinternalflowfieldofastirredtankhasbeensimulatednumericallybyutilizingComputationalFluidDynamics(CFD),theflowcharacteristicsofthreedifferentimpellerwhichare6DT,6PDTUand6PDTDisrese

6、archedwhentheimpellerheightis100mm,130mmand170mm.TheResultsshowthat:(1)Asforthethreeimpellers,twovortexesareformedinthestirredtank.Withtheincreaseoftheimpellerheight,theinterfacebetweentheupperswirlandthelowerswirlismovedupward,therangeoftheupperswirlbecomessmaller,whiletherangeofthelowerswirlbecome

7、slarger.(2)Asforthethreeimpellers,withtheincreaseoftheimpellerheight,theturbulentregionbecomeslarger,andthewholemixingeffectismorebetter.(3)Asforthethreeimpellers,withtheincreaseoftheimpellerheight,thepowerconsumptionofthestirredtankdecreases.Itindicatesthatwhentheimpellerheightishigher,theenergylos

8、sinfluidflowprocessismorelittle.Keywords:stirredtank;ComputationalFluidDynamics;impellerheight;flowfield;mixingpower目錄第一章前言1第二章攪拌槽內流體流動的研究現狀22.1 攪拌槽內流體流動的實驗研究22.2 攪拌槽內流體流動的數值模擬32.3 攪拌槽實驗研究與數值模擬的結合4第三章研究目的、內容和方法53.1 研究目的53.2 研究內容53.3 研究方法53.3.1計算流體力學53.3.2CFD軟件Z構63.3.3CFD模擬技術63.3.4計算流體動力學的工作步驟7第四章攪拌槽

9、內單相流動的數值模擬84.1模擬計算白前處理84.1.1建立幾彳S模型84.1.2劃分網格94.1.3確定邊界條件104.1.4湍流模型104. 1.5設定收斂殘差105. 1.6設定時間步長106. 1.7迭代計算116.2 攪拌槽內流動場的數值模擬111. 2.16DT槳不同槳葉高度時攪拌槽內流動場的數值模擬114. 2.26PDTU槳不同槳葉高度時攪拌槽內流動場的數值模擬125. 2.36PDTD槳不同槳葉高度時攪拌槽內流動場的數值模擬136.3 攪拌功率P和功率準數Np的比較156.4 小結16第五章總結與展望175.1 總結175.2 展望17參考文獻17致謝19槳葉高度對攪拌槽內流

10、動場的影響第一章前言攪拌槽是一種帶有葉片的軸在圓筒或槽中旋轉，將多種原料進行攪拌混合，使之成為一種混合物或適宜粘度的設備，具廣泛應用于化工、食品、冶金、造字、石油和水處理等過程中，并且在工業過程中起著非常重要的作用。攪拌混合是化工行業最古老、最常規的單元操作。槽內流場直觀的描述了槽內流體流動的基本特性，是更近一步研究槽內傳質、傳熱、混合以及制備乳液、懸浮液的基本依據。攪拌槽內流場具有三維和高度不確定的隨機湍流特點，影響因素多，理論分析難度大，實驗測量和數值模擬是取得槽內流場詳盡信息的兩種重要手段。對攪拌槽內流動場的深入研究，會將槽內的混合技術推向一個更理性的高度，也提高了攪拌槽工程設計的可靠性

11、10隨著計算機技術和計算流體力學CFD(ComputationalFluidDynamics)的快速發展，對攪拌槽內流動場進行數值模擬的研究工作在近幾年迅速發展起來。其具有實驗測量不可比擬的優勢，逐漸成為科學研究的重要手段。利用CFD對攪拌槽進行數值模擬，在時間和空間上定量描述流體流動、傳熱及相關物理現象的數值解，具有理論性和實踐性的雙重特征。利用CFD對攪拌槽進行數值模擬，可以使槽內的實際現象可視化，人們可以直觀的了解槽內的混合情況，消除存在的問題，對攪拌槽進行結構優化設計，在獲得實驗手段不能得到的數據的同時，大大節省了研究經費，為新型高效攪拌設備的研究開辟了一個新途徑。本文借助AnsysW

12、orkbench平臺，利用流體分析軟件CFD實現槳葉高度對攪拌槽內流動場影響的數值模擬。利用數值模擬的靈活性、可重復性、低成本的特點，通過改變攪拌槽槳葉高度，得到各不同高度對攪拌槽內流動場的影響規律，為實驗研究奠定一定的基礎，對提高攪拌槽的工作效率具有一定的指導作用。3第二章攪拌槽內流體流動的研究現狀對攪拌槽內流動特性的研究是從實驗研究和數值模擬兩個方面進行的。2.1攪拌槽內流體流動的實驗研究實驗研究方面，早期主要是采用畢托管、紋影照相和熱膜風速儀，而現在的測試手段主要是激光多普勒測速儀以及piv等。早期的研究者由于測試儀器的落后，所得到的實驗結果存在較大差異。隨著測試技術的發展，特別是激光多

13、普勒測速的不斷完善，對攪拌槽內流動特性的研究逐漸深入，所得的研究結果也逐漸趨向一致。攪拌槽內部流動場是極其復雜的隨機三維流動，攪拌槳在槽內造成的流動形式，對固體小顆粒、液體、氣體的混合，氣體的溶解及熱量的傳遞有重要的影響。采用圓柱坐標系將這種流動分解成徑向流、軸向流和混合流，對應的攪拌槳即分為徑向流攪拌槳、軸向流攪拌槳和混合流攪拌槳。典型的徑向流攪拌槳是RUSHTON槳，其流型如圖2-1所示。在槳葉作用下,流體在葉輪出口處產生強烈的徑向運動，流體碰到槽壁后分為上下兩股，向上流動的流體到達液面后和向下流動的流體到達槽底后，分別沿著攪拌軸再次返回到槳葉區，如此在槽的底部和上部形成兩個循環區。對于所

14、有的徑向流攪拌槳來說，圓盤是產生徑向流的主要原因。對于軸向流攪拌槳，流體在槳葉的作用下，先向下流動，碰到槽底后轉向沿槽壁向上流動，到達液面后，再沿軸向向下流回槳葉區，形成簡單的“單循環”流動形式，其流型如圖2-2所示。流體對槳葉產生的升力的反作用力是形成軸向流的主要原因。在工程實際中，徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳各有優勢和缺點，其各自使用的場合也大不相同。徑向流攪拌槳能夠在槳葉末端產生很強的剪切作用，易形成湍流流動，有利于各相的均勻混合，但是它把攪拌槽內的介質分為以攪拌槳為界的上下兩個循環區，使攪拌槽的整體循環混合效果變差。軸向流攪拌槳可使流體產生較強的軸向流動，整體循環能力強，但剪切能力較弱，

15、局部混合效果較差。斜葉攪拌槳是一種介于徑向流和軸向流之間的攪拌槳，它所產生的流動有時類似軸向流，有時又類似徑向流。國內外學者對攪拌槽進行了廣泛的實驗研究。Costes等2研究了Rushton槳攪拌槽內的平均流場和湍流特性，通過分析擋板所在平面和相鄰兩擋板中間平面處的速度矢量圖，得出在高雷諾數下，槽內無因次的平均速度和脈動速度的分布幾乎與雷諾數無關。王平玲等網研究設計了一種扭彎葉片軸流式攪拌器(簡稱JH-2型)，和三折葉槳相比，至少可節省20%-30%的功率，適用于中低粘度介質的液-液、液-固反應及傳熱、攪拌工藝。圖2-1徑向流攪拌槳流型圖圖2-2軸向流攪拌槳流型圖2.2攪拌槽內流體流動的數值模

16、擬隨著計算機科學技術、流體力學等學科的迅猛發展，出現了一門新的交叉型學科，即計算流體力學CFD(ComputationalFluidDynamics),該技術的出現極大地促進了攪拌混合研究。流場分析是CFD技術應用中的重要一環。CFD可以模擬不同攪拌槳型式、尺寸和離底距離等對槽內流動場的影響。CFD模擬結果的可視化，使用戶可以直觀的了解槽內的流場分布情況，指導用戶進行攪拌槽結構的優化設計，使攪拌槽達到很好的混合效果。由于數值模擬大大減少了實驗工作量和縮短了實驗周期，并能夠提供實驗方法所不能獲得的信息，因而越來越受到研究者的重視，對攪拌設備的開發和性能測試帶來革命性的變化。侯拴弟等4對軸流槳攪拌

17、槽三維流場進行了研究，在k-e湍流模型下成功預測了攪拌槽在不同操作條件下的宏觀速度場，得出了攪拌槽內宏觀流動場受攪拌槳槽徑比影響較大的結論。李志鵬5對CBY攪拌槳進行了數值分析，模擬了CBY槳的流動場。并從宏觀上定量地比較了攪拌槳功率準數的計算值與實驗值之間的誤差，分析認為這種誤差是由網格、計算模型、槳葉實體模型等方面的原因引起的。高勇等6研究了中心龍卷流型攪拌槽內流動場。通過對其內部流場進行數值模擬，分析得出以下結論：中心龍卷流型攪拌槽的功率準數較小，節能效果顯著；槳葉高度對攪拌槽內流動場的影響導流板結構不同，對流場會產生比較大的影響。王振松等7對周-液攪拌槽內槽底流場進行了CFD模擬，使用

18、標準k-換型計算了清水與固液兩相的流場，考察了槽內流場的分布對固體顆粒懸浮狀況的影響。董厚生等網對攪拌槽內固液兩相流進行了數值模擬及功率計算。使用計算流體動力學的方法對攪拌槽中的流場進行模擬，得到攪拌槽中液體的流動狀況和體積分數分布。周國忠9-10利用CFD軟件對單層和雙層六直葉渦輪槳攪拌槽內的混合過程進行了數值研究，其研究側重于模擬方法的比較。2.3攪拌槽實驗研究與數值模擬的結合通過實驗測試得到的結果是比較可靠的，但是由于攪拌槽內流體流動高度的不穩定性，測量的某些參數與實際過程有很大的差異。通過對攪拌槽的數值模擬，可視化顯示槽內流場的具體細節，獲得較為真實的結果。因此，將實驗研究與數值模擬有

19、機的結合起來是行之有效的研究方法，由此得到的研究結果對攪拌設備的設計和選型具有重大的現實意義。聶毅強1利用計算流體軟件CFD,采用高密度網格、k-e湍流模型，計算了清水體系中CBY與PBT槳以及0.6%CMC水溶液體系中PBT槳的三維流動場。禾用數值方法得到了流場中不同位置的三維時均速度，并將數值模擬結果與實驗數據進行了比較。計算結果表明：在高密度的網格下，軸向時均速度分布與實測結果吻合，但計算所得葉輪區軸向速度最大值偏大；清水體系中徑向速度的計算值與實測值都很小，約0.05m/s以下，計算所得切向時均速度比實測值小。0.6%CMC水溶液中，計算所得切向時均速度與實測值吻合很好，徑向時均速度與

20、實測值相差較大。21第三章研究目的、內容和方法通過上一章對攪拌槽的實驗研究和數值模擬的總結概述，結合現有的研究條件，確定了本論文的研究目的、內容和方法。3.1研究目的利用CFD對攪拌槽內單相流場進行研究，重點分析不同槳葉高度對攪拌槽內流動場和攪拌功率的影響規律，為攪拌槽的工業應用提出建議。3.2研究內容針對本論文的研究目的，主要研究內容如下：(1)當6DT槳時，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時攪拌槽內的流動特性和功率消耗。(2)當6PDTU槳時，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時攪拌槽內的流動特性和功率消耗。(3)當6PDTD槳時，研究槳葉高度為100mm、1

21、30mm、170mm時攪拌槽內的流動特性和功率消耗。3.3研究方法本研究應用AnsysWorkbench平臺，利用流體分析軟件CFD實現槳葉高度對攪拌槽內流動場影響的數值模擬。3.3.1計算流體力學計算流體力學CFD(ComputationalFluidsDynamics)是以經典流體力學、數值計算方法和計算機技術為基礎，是對包含有流體流動和熱傳遞等物理現象進行分析的一種研究方法。起初，CFD被認為只適合高科技領域，而且只有通過專業訓練的人員才能掌握使用。近幾十年以來，隨著計算機技術和CFD軟件的進一步開發，簡單的操作平臺和友好的用戶界面使得CFD的應用更加普及，其應用已遍及航空、水力、電力、

22、化工、冶金、生化工程等諸多領域。CFD軟件是在三大守恒方程(質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程)的控制下對流體流動進行數值模擬，具有適應性強，應用面廣的特點。所有涉及流體流動、熱交換、化學反應等問題，基本都可以通過此軟件進行分析。CFD也存在局限性，其結果往往有一定的誤差。同時，CFD涉及大量的數值計算，需要較高的計算機軟硬件配置11o3.3.2CFD軟件結構CFD軟件的目的是解決流體流動問題。所有商業CFD軟件都提供了用戶界面來輸入參數和檢查計算結果，具由三部分組成：前處理器，解算器，后處理器。前處理器就是為解算器定義待解決問題的各項參數。前處理過程需要做的工作有：定義計算域；對計算域

23、進行網格劃分；定義待解問題的類型和選擇適用于待解問題的模型；定義流體的屬性；確定邊界條件。解算器的任務就是對一系列的方程組進行求解。后處理器用于對模擬結果進行查看、處理和輸出。隨著計算機圖形技術的發展，CFD軟件中的可視化功能越來越強大。它包括：計算域和網格的顯示；矢量圖、云圖的呈現；動畫播放；圖形的旋轉、平移、放大等。3.3.3CFD模擬技術在攪拌槽中，存在著運動的攪拌槳、攪拌軸和靜止的擋板、槽壁，其所圍出的流動域的形狀是隨時間變化的。解決運動的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用的方法主要有：“黑箱”模型法、動量源法、內外迭代法、多重參考系法和滑移網格法。(1)“黑箱”模型法“黑箱”模型法在計算

24、時將槳葉區從計算域中扣除，槳葉所產生的作用以某種表面的邊界條件的形式來代替，邊界條件的數據一般由實驗得到。由于不需要考慮槳葉區網格，處理簡單。但邊界條件數據的獲得需要通過實驗來確定，而且一套槳葉區邊界條件只能用于與實驗條件幾何相似的體系。(2)動量源法為了消除槳葉區邊界條件受實驗的限制，研究者開發出了新的途徑以實現對攪拌槽內流動場的模擬。基于對槳葉區流體流動的分析，1987年Pericleousl提出了“動量源”模型，把槳葉對流體的作用看作流體動量的產生源，采用切向方向的附加“源”代替六直葉渦輪作用。(3)內外迭代法內外迭代法是將攪拌槽計算域分成內環和外環兩個重疊的部分。內環包括旋轉的槳葉，在

25、以攪拌槳速度旋轉的參考系內進行計算。外環包括靜止的擋板等，在靜止坐標系下進行計算。通過在兩個區域之間交替迭代計算，獲得一個收斂結果。此法比“黑箱”模型法有了很大的進步，不再需要實驗數據，實現了攪拌槽流動場的整體數值模擬。但這種方法在計算時需要試差迭代，收斂速度較慢。(4)多重參考系法多重參考系法仍采用兩個參考系分別進行計算，槳葉所在區域是以槳葉速度旋轉的參考系，其他區域使用靜止參考系，用來計算葉輪區以外的流動場。與內外迭代法不同的是，多重參考系法劃分的兩個區域沒有重疊的部分，不再需要內外迭代運算，兩個不同區域內速度的匹配直接通過在交界面上的轉換來實現，因而計算變的更加簡單。(5)滑移網格法滑移

26、網格法和多重參考系法對區域的劃分是相同的，將計算域分成分別包含旋轉的槳葉和靜止的擋板的兩個區域。不同的是，在兩個域交界面處有網格之間的相對滑移。滑移網格法的不足在于計算時需要大量的計算時間以及復雜的后處理過程。3. 3.4計算流體動力學的工作步驟運用CFD對流體流動現象進行數值模擬，一般包含下列四個步驟：(1)建立反映工程實際問題本質的數學模型。(2)尋求高效率以及高準確度的計算方法，如有限元法、有限差分法、有限體積法等。(3)編制程序進行計算。包括劃分計算網格、指定初始條件和邊界條件、設定控制參數等。(4)顯示和處理計算模擬結果。第四章攪拌槽內單相流動的數值模擬攪拌槽內流體流動是復雜的湍流狀

27、態，通過實驗測定完全獲得攪拌槽內流體的流動狀況，是一項昂貴費時的工作，也是不現實的想法。利用CFD方法對攪拌槽進行單相流動數值模擬，定性分析不同槳葉高度對槽內流動場和攪拌功率的影響，為攪拌槽的工業開發及應用提供一定的參考作用。4. 1模擬計算的前處理4.1.1 建立幾何模型模擬對象為一平底單層槳攪拌槽，槽內均布四塊擋板，幾何尺寸如表4-1所示。由于攪拌槽幾何形狀和槽內流體流動的對稱性，模擬時選用1/2攪拌槽作為計算域，如圖4-1所示。槳葉形式分別為六直葉圓盤槳（6DT）、六葉上斜葉槳（6PDTU）和六葉下斜葉槳（6PDTD）,幾何模型如圖4-2所示。槽內攪拌介質為水，其密度為1000Kg-m-

28、3,粘度為1mPas,模擬時設定的攪拌軸轉速為300min-1。圖4-1單層槳攪拌槽模型圖(a) DT 槳(b) PDTU 槳(c) PDTD 槳圖4-2攪拌槳模型圖表4-1攪拌槽幾何尺寸符號數值（mm）D300筒體高度h300槳葉直徑d100(=T/3)轉軸直徑Di15葉輪圓盤直徑D275圓盤厚度64葉片長度L25葉片高度hi20槳葉高度h2、h3、h4100、130、170擋板數目Nb4個擋板寬度Wb30(=T/10)4.1.2 劃分網格對任何問題進行計算時，首先要對問題進行一定的簡化，建立物理模型，然后將空間上連續的計算域進行剖分，把它劃分成許多子區域，并確定每區域中的節點，即生成網格。

29、目前生成網格的方法可以分為兩大類：結構化網格和非結構化網格。當計算域為比較規則的幾何模型時，可以采用結構化網格進行網格劃分。當計算域比較復雜時，這時采用非結構化網格進行網格劃分。由于本次模擬所選用的攪拌槳和攪拌槽結構的不規則，其網格劃分均采用非結構化網格，對槳葉、擋板及轉動軸進行了網格細化，以便更好的捕捉其附近的流動特性。并且在所有壁面處應用Inflation這一網格特性，以保證壁面處的速度變化不至于太大。圖4-3、4-4、4-5為槳葉網格劃分圖，圖4-6為Inflation網格細化圖。圖4-3 DT槳網格圖4-4 PDTU槳網格圖4-5 PDTD槳網格圖4-6 Inflation網格細化4.

30、1.3 確定邊界條件結合攪拌槽結構特點和流體性質，設定邊界條件如下：(1)將動區域內的流體設定為與攪拌槳相同的轉速進行旋轉，而靜止區域內的流體則是靜止的。(2)將軸和槳定義為動邊界，邊界類型均為壁面邊界。其中攪拌軸處于靜止流體區域內，相對于區域內流體是運動的；攪拌槳處于運動流體區域，且和周圍的流體以同樣的轉速進行運動，因此相對于區域內流體是靜止的。(3)由于攪拌槳距離自由液面較遠，可以認為其對自由液面影響很小，自由液面處的流體幾乎沒有運動，因此將自由液面定義為自由滑移壁面。(4)將擋板表面及槽壁定義為靜止壁面邊界條件。4.1.4 湍流模型湍流模型是用來分析流體流動的最常見的模型，它是基于連續性

31、方程、N-S方程和標準k-e模型用來模擬攪拌槽內的湍流流動。湍流模型可以更好的解決高應變率和流線彎曲程度較大的流體流動。在壁面處，為了確定固壁附近流體的流動，需要使用標準壁面函數法。標準壁面函數法的基本思想是：只在湍流核心區使用RNGk-e模型求解，對壁面區流體的流動不需要進行求解，而是直接使用半經驗公式將壁面處的物理量和湍流核心區內的求解變量聯系起來，直接得到與壁面相鄰控制體積的節點變量值。4.1.5 設定收斂殘差對流動場進行模擬時，設定各流動變量的收斂殘差為10-4。4.1.6 設定時間步長為了確保模擬結果的準確性，設定的時間步長不應過大或過小。本次數值模擬時間步長均采用0.5so4.1.

32、7 迭代計算設定一定的迭代步數，進行迭代計算，直至收斂。本次數值模擬迭代步數一般設定為100步。4.1.8 2攪拌槽內流動場的數值模擬4.2.16DT槳不同槳葉高度時攪拌梢內流動場的數值模擬6DT槳屬于徑向流攪拌槳，由于離心力的作用，旋轉的槳葉把動量傳遞給它周圍的流體，使其沿徑向排出，形成高速的射流，遇到擋板和槽體時分成兩股，分別向攪拌槽上下部運動。漩渦的分界面基本處于槳葉中間所在的平面，整個攪拌槽內的流型以徑向流為主，最大速度出現在葉片端部。圖4-7所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時縱截面速度矢量圖。由圖可見：當槳葉高度為100mm時，整個攪拌槽內形成上大下小的兩個漩渦

33、，上部漩渦流速較小，下部漩渦流速較大，且上部漩渦不規則，靠近液面處流體流動比較紊亂；當槳葉高度為130mm時，整個攪拌槽內形成上下兩個范圍大小基本相等的漩渦，兩漩渦流速基本持平，且流體流動比較規則、穩定；當槳葉高度為170mm時，在攪拌槽內形成上小下大的兩個漩渦，上部漩渦流速較大，下部漩渦流速較小，整體流動趨勢穩定。(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-76DT槳不同槳葉高度時攪拌槽縱截面處速度矢量圖圖4-8所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時縱截面速度云圖。由圖可見：當槳葉高度為100mm時，槽內流體流速不均勻，攪拌槽上部流體流動不

34、充分，整體混合效果差；當槳葉高度為130mm時，槽內流體流速比較均勻，攪拌槽上部流體流動不充分的區域縮小，整體混合效果較理想；當槳葉高度為170mm時，槽內流體流速分布均勻，攪拌槽上部流體流動不充分的區域進一步縮小，整個攪拌槽流體流動充分，整體混合效果理想。同時，隨著槳葉高度的增加，槳葉附近的徑向射流區域隨之增大，流動死區隨之縮小。(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-86DT槳不同槳葉高度時攪拌槽縱截面處速度云圖4. 2.26PDTU槳不同槳葉高度時攪拌梢內流動場的數值模擬6PDTU攪拌槳所產生的流場介于徑向流與軸向流之間。槳葉端部的合成速度是向上傾斜

35、的，尤其在靠近攪拌槳處。由于6PDTU槳對流體的上揚作用，使得流體產生高速向上的軸向流，將槳葉下部流體運送到槳葉上部，使從槳葉末端甩出的流體沿斜上方排出，到達槽壁與槽壁碰撞后沿槽壁分別向上下流動，形成兩個循環流動，流體之間劇烈的軸向作用，使整個攪拌槽混合均勻。6PDTU攪拌槳的上揚運動使攪拌槽內漩渦的分界面高于槳葉所在平面。圖4-9所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時縱截面速度矢量圖。由圖可見：當槳葉高度為100mm時，攪拌槽內形成上下兩個范圍大小基本相等的漩渦，上部漩渦流速較小，下部漩渦流速較大，靠近攪拌軸處流體流動比較紊亂；當槳葉高度為130mm時，攪拌槽內形成上小下大

36、的兩個漩渦，兩漩渦流速都有所增大，流體流動光滑規則；當槳葉高度為170mm時，攪拌槽內上部漩渦進一步縮小，下部漩渦進一步擴大，兩漩渦流速基本持平。msM皿& UmsM(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-96PDTU槳不同槳葉高度時攪拌槽縱截面處速度矢量圖圖4-10所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時縱截面速度云圖。由圖可見：當槳葉高度為100mm時，槽內流體流速分布不均勻，攪拌槽上部流體流動不充分，整體混合效果較差；當槳葉高度為130mm時，槽內流體流速比較均勻，攪拌槽上部和下部流體流動不充分的區域縮小，整體混合效果較理想；當槳葉高

37、度為170mm時，槽內流體流速分布均勻，攪拌槽上部和下部流體流動不充分的區域進一步縮小，整體混合效果理想。同時，隨著槳葉高度的增加，槳葉附近的軸向射流區域隨之增大，流動死區隨之縮小。煙口0.選0.657D&750蒯0.4121-0.3310.24S1116a0.004(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mmmsM(c)槳葉高度170mm圖4-106PDTU槳不同槳葉高度時攪拌槽縱截面處速度云圖4.2.36PDTD槳不同槳葉高度時攪拌梢內流動場的數值模擬6PDTD攪拌槳所產生的流場介于徑向流與軸向流之間。該槳葉端部的合成速度是向下傾斜的，在靠近攪拌槳處更為明顯。由于6PDTD槳對流體的下

38、壓作用,使得流體產生高速向下的軸向流，將槳葉上部的流體運送到槳葉下部，使槳葉末端甩出的流體沿斜下方排出，到達槽壁與槽壁碰撞后沿槽壁分別向上下流動，形成兩個循環流動。流體之間劇烈的軸向作用，使整個攪拌槽混合更均勻。6PDTD攪拌槳的下壓運動使攪拌槽內兩漩渦的分界面低于槳葉所在平面。圖4-11所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時縱截面速度矢量圖。由圖可見：當槳葉高度為100mm時，攪拌槽內形成上大下小的兩漩渦，上部漩渦流速較小，下部漩渦流速較大，靠近攪拌軸處流體流動比較紊亂；當槳葉高度為130mm時，攪拌槽內形成上大下小的兩漩渦流，上部漩渦流速增大，下部漩渦流圖4-116PDT

39、D槳不同槳葉高度時攪拌槽縱截面處速度矢量圖圖4-12所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時縱截面速度云圖由圖可見：當槳葉高度為100mm時，槽內流體流速不均勻，攪拌槽上部流體流動不充分，整體混合效果較差；當槳葉高度為130mm時，槽內流體流速比較均勻，攪拌槽上部流體流動不充分的區域縮小，整體混合效果較理想；當槳葉高度為170mm時，攪拌槽上部流體流動不充分的區域進一步縮小，整個攪拌槽內流體流動充分，整體混合效果理想。同時，隨著槳葉高度的增加，槳葉附近的軸向射流區域隨之增大，流動死區隨之縮小。O.QSg0.1520.7670.6A20.4氈0例30.t740.5150.004m

40、s1-1(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-12 6PDTD槳不同槳葉高度時攪拌槽縱截面處速度云圖4. 3攪拌功率P和功率準數Np的比較攪拌功率是指攪拌槽在進行攪拌時，在單位時間里，輸入槽內對物料做功并使之發生流動的能量，它不包括在軸封和傳動裝置中消耗的能量，攪拌功率與攪拌槽的結構，攪拌槳的形狀、尺寸和轉速，液體性質和內部附件（有無擋板和其它障礙物），攪拌槳在槽內位置以及重力加速度等有關110通過模擬可以得到扭矩值，攪拌功率P與扭矩M的轉換公式：PM=9549（4.1）N由公式（4.1）得出:(4.2)cMNP=9549式中：P為攪拌功率（KW）,M為

41、攪拌扭矩（N?m）,N為攪拌轉速（r/min）。功率準數Np是雷諾數Re的函數，其中(4.3)式中：D為攪拌槽的直徑，p為流體的密度，以為流體的黏度。對于一定幾何結構的攪拌槽，Np與Re的函數關系可由實驗測定，將這函數關系繪成曲線稱為功率曲線。功率準數Np與攪拌功率P之間的關系為：NpP：n3d5(4.4)式中：P為攪拌功率（W）,N為攪拌轉速（r/s）,D為攪拌槽的直徑（m）,p為流體的密度（kg/m3）。由公式4.2和公式4.4可以計算出各種情況下的攪拌功率和功率準數如表4-2、4-3和4-4所示。計算時由于軸的扭矩與槳葉的扭矩相比太小，故在計算功率時只考慮槳葉的扭矩。表4-26DT槳攪拌

42、功率j、一類型項目,槳葉形式為6DT槳葉高度100mm槳葉高度130mm槳葉高度170mm槳葉扭矩M（N?m）1.15X10-21.02X10-21.00M0-2功率P(W)0.360.320.31功率準數Npp1.191.051.02表4-36PDTU槳攪拌功率槳葉高度100mm槳葉形式為6PDTU槳葉高度130mm槳葉高度170mm槳葉扭矩M(N?m)-20.94X102-20.86M0-20.8X0功率P(W)0.300.270.25功率準數Np1.000.890.82表4-46PDTD槳攪拌功率槳葉形式為6PDTD槳葉高度100mm槳葉高度130mm槳葉高度140mm功率P (W)功率

43、準數Np0. 250. 230. 820. 750. 210. 70槳葉扭矩M(N?m)0.81X10-20.72X1020.69M0-2由上述三表可見：(1)對于同種槳葉，槳葉高度100mm時功率準數最大，槳葉高度130mm時功率準數居中，槳葉高度170mm時功率準數最小。說明槳葉高度越高，流體在流動過程中的能量損失越小，所需攪拌功率越小。(2)對于相同槳葉高度，6DT槳功率準數最大，6PDTU槳功率準數中等，6PDTD槳功率準數最小。說明6DT槳能量損耗最大，6PDTU槳能量損耗中等，6PDTD能量損耗最小。4.4小結利用CFD軟件對不同槳葉高度時攪拌槽內流動特性和攪拌功率進行了數值模擬，得到如下結論：(1)隨著槳葉高度的增加，攪拌槽上部漩渦縮小，下部漩渦增大。(2)隨著槳葉高度的增加，攪拌槽中的流體流動死區減小，攪拌槽整體混合效果改善。(3)槳葉高度越小，攪拌槽底部流體流動越充分。反之，槳葉高度越高，攪拌槽頂部流體流動越充分。(4)隨著槳葉高度的增大，能量損耗隨之減小，所需攪拌功率隨之下降。(5)相同槳葉高度下，6DT槳能量損耗最大，6PDTU槳能量損耗居中，6PDTD槳能量損耗最小第五章總結與展望5. 1總結本文利用CFD