反应釜外文翻译.doc

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长 春 大 学 毕业设计（论文）纸
在搅拌釜中大涡模拟的混合时间

化学工程学院,北京化工大学,北京100029,中国

简要：大涡模拟(LES)的混合过程在一个直径0.476米的搅拌釜用3狭窄的叶片水翼CBY叶轮被报道。湍流流场的计算和混合时间使用KES SmagorinskyLilly次网格尺度模型。 叶轮旋转是建模使用滑动网格技术。“电力需求和混合时间获得从实验和LES之间进行了预测要比传统的雷诺平均 n - s(RANS)方法要好。示踪响应预测的曲线由LES和实验之间来预测的。结果表明,LES是一个可靠的工具来研究在搅拌罐里不稳定周期行为的紊流。
关键词：大涡模拟,次网格尺度模型、混合时间、水翼叶轮

1 介绍：机械搅拌罐广泛应用于许多工业过程。在搅拌釜中流结构是高度三维并且复杂,涵盖范围广泛的空间和时间尺度。液体是通过坦克传阅的作用下旋转叶轮。这个漩涡叶轮旋转产生的,保留其相干就大量距离到散装液体,伴随着高剪切率和强烈的湍流活动。因此,他们是必不可少的在流场的混合性能。混合时间,θm,是时候需要混合添加二级液体与容器的内容有一定程度的均匀性,通常θ95为了达到95%以上最后的浓度。在任何情况下,混合时间的一个搅拌釜通常用于指示其有效性。知识的混合时是需要时间的优化设计的搅拌罐。在过去的30年广泛的实验研究已报道混合时间。在过去的二十年里,进展取得了在计算流体动力学(CFD)模拟混合过程拥有伟大的计算机技术的进步。Ranadeetal用数值仿真给详细的流和散装混合产生的向下流投球叶片涡轮在一个完全困惑的圆柱形容器。undenetal 和Schmalzriedt和罗伊斯形式-迟来的脉冲示踪实验解决了材料在三维流场平衡与拉什顿涡轮(DT6)他们建议的质量结果是高度依赖于精确的流体动力学计算,特别是关于湍流建模。Jaworskietal报道,θ95计算大约两到三次测量值在与双DT6搅拌罐,并暗示这差异是因为大众交流的四个不同的轴径向循环循环是预测下大举CFD。

LES,首先采用搅拌釜的集成判别算法,是被证明是一个不错的方法,研究湍流流动不稳定和准周期性的行为。随后Revstedtetal指出lES会赞成见详细的流场,无法取得所谓的雷诺平均方程和共同响应模型,然后Revstedt和Fuchs模拟了槽搅拌通过两个标准Scaba拉什顿叶轮或6 srgt叶轮。Derksenetal使用与Smagorinsky LES次网格模型中,Smagorinsky常数c = 0.12,以模拟困惑的搅拌釜驱动涡轮机拉什顿Re = 29000和Derksen也模拟单相流由一个搭叶片叶轮使用LES与标准Smagorinsky或结构函数的次网格模型。作者所有的关注研究了三维速度和和湍动能在搅拌釜和证明LES是一个好工具的调查紊流在工业应用的实际意义。在这部作品中,Smagorinsky-Lilly 和LES介绍了次网格模型首先在模拟混合浓度的过程中,通过监测示踪剂得到混合时间在槽搅拌,在3狭窄叶片水翼CBY叶轮。LES和RANS之间作了比较。
2 物理和计算配置
搅拌釜的使用在这个工作是一个有机玻璃船0.476米直径与平底和四个挡板。环境使用的自来水。一个3狭窄的叶片水翼CBY叶轮被使用。叶轮速度 n是150、180、260和300 r·分钟1(对应 Re =ρND2 /ν= 9×1.8×104 105)分别和流体流动和湍流动

。实验仪器的细节都显示在图1

图 1（一)的视图的搅拌釜和(b)3狭窄叶片水翼CBY叶轮

(T=476mm; H/T=1.0; C/T=1/3; D/T=0.4; WB/T=0.1)
3 实验
θ95测量电导率的变化在引进少量的示踪剂(饱和氯化钾溶液)。10毫升的示踪剂被加入到自由表面的液体是-二层两个挡板。探测器安装在位置的底部附近的坦克的对面添加点。电导仪的输出是通过收购获得一个模拟滤波器和一个放大器和A / D转换器,然后存储为后续分析。这些测量重复在至少5次,实验条件得到一般的混合时间。叶轮转速和轴转矩测量通过分别使用光学电子转速表和转矩传感器。这个详细描述报告在其他纸上[12]但是唯一不同的是,目前的水槽有一个平底而不是压制基地[13]在目前的工作模式被选择。
4 数学方法
4.1流模型
主要的困难相关的模拟湍流在搅拌釜是广泛的范围的尺度:从规模小的体积的水槽的尾涡结构相关联与叶轮叶片运动,和大污风再循环物理几何的限制水槽。所以质量和精度的仿真在搅拌釜严重依赖于湍流模型。
一个非常准确的预测是可能的手段直接数值模拟(DNS)。在DNS中,流体运动到耗散尺度是解决和它因此仅适用于相对低雷诺数字流和不适用于工业相关应用程序。

在雷诺平均Navier-Stokes (RANS)模型只代表运输方程的意思流数量, 与所有的尺度的湍流建模相比。这种方法允许解决方案的平均流量变量大大减少了计算工作量。如果平均流量是稳定的控制方程没有包含时间衍生品和一个稳态解可以得到经济上的。计算的优势是看到即使在瞬态情况下,由于时间步将取决于全球不稳定在平均流量而非由湍流。雷诺平均的方法通常是采用实用的工程的计算,并利用模型Spalart-Allmaras等k-ε,k-ω,RSM及其变体。标准的k-ε模型,k-εRNG模型[14]和各向异性代数雷诺应力模型[15],是最简单的模型和可以预测完全湍流流场合理吗同意实验数据。所以与LES相比较，标准k-ε型,k-εRN模型[14]和各向异性代数雷诺应力模型[15],是最简单的模型和可以预测完全湍流流场合理性，同意实验数据。所以与LES相比较，标准k-ε在目前的工作模式被选择。

LES是一个介于DNS和RANS方法。 基本上大的涡流解析直接用LES,而小旋涡用建模。在LES,控制方程用于LES是得到过滤含n - s方程在傅里叶(波数)空间或配置(物理)空间。过滤过程有效地过滤掉的旋涡，滤波器的宽度或网格间距用于计算。由此产生的方程从而支配大漩涡的动力学。一个过滤变量被定义为

这里 Ù是流体域和G是过滤器函数确定解决的规模的旋涡。
在 FLUENT中有限体积离散化它-自隐式地提供了过滤操作:

在V是一个计算单元的体积。这个滤波函数,G(X,X ),然后这里暗示的

不可压缩Navier-Stokes方程,过滤

其结果

和

是次网格尺度应力定义为

Ù

应力造成的次网格尺度从费尔-增长率操作未知,需要建模。
最基本的次网格尺度模型是Sma -gorinsky-Lilly模型,在Smagorinsky-Lilly模型,来模拟涡流粘度

这里Ls是次网格尺度的混合长度是应变率张量解析后的量表。Ls是计算

使用这里的K是卡门常数,d是到最近的墙壁的距离,V是体积计算细胞,CS是Smagorinsky常数。 它被设置为0.1在实验发现对各种流动产生最好的结果。

4.2混合网络
对混合槽模拟执行, 计算网格是由两个部分:一个内心旋转圆柱体积封闭涡轮,和一个外固定体积含其余的坦克。网战略技术的采用是结合结构化和非结构化
网格(17 - 19)。叶轮区域分为联合-结构化的四面体细胞和强化来获得更多准确的描述叶轮。和其余的散装的水槽相结合是处理多嵌段的方法,在六面体的细胞计算中被用来减少成本的计算。所以在RANS细胞的大小选择内部分4毫米和外部分8毫米。但考虑到叶片厚度和泰勒微尺度(7、8、20),所以这是选择2毫米和4毫米LES。网格节点的总数量是1044356的LES和373775在RANS,见图2。

4.3叶轮描述
对混合槽模拟执行,计算网格是由两个部分:一个内心旋转圆柱体积封闭涡轮,和一个外固定体积含其余坦克。网格战略技术的采用是结合结构化和非结构化网格(17 - 19)。叶轮区域分为联合-结构化的四面体胞和强化来获得更多准确的描述叶轮。和其余的散装的坦克,是处理多嵌段的方法,在六面体的细胞被用来少主要的困难在模拟搅拌坦克是准确的表示的叶轮作用。这个滑动网格(SM)和多个参考系(MRF)技术是两个有效的方法处理与叶轮的影响,实现商业软件如流利。磁流变液的方法,在该地区的叶轮和叶轮蒸汽被描述为旋转参考架和固定架或网格是选择流叶轮区域外。在SM科技-种新型pvc树脂,它实际上是一个瞬态方法,两个网格产生一个旋转的叶轮和一个固定式代表散装罐。在相同条件下,滑动网格方法需要太多更多的计算时间,数据是反式-在转让之间的接口两个网格。使磁流变液提供了一个合理的模型时均流和SM可以计算不稳定和瞬态流场。SM方法在这部作品中所使用的LES。

第一步是计算的连续性和ve -使用标准的k-εlocity方程模型,结果发表在其他地方在流场有点聚集,结果被用作一个ini -弧离子镀条件莱斯仿真。仿真选择了二隐式配方tem -细孔的离散化和中央差分2006年2月LES过程第一步是计算的连续性和ve -使用标准的k-εlocity方程模型,结果发表在其他地方。在流场有点聚集,结果被用作一个ini -多弧离子镀条件莱斯仿真。仿真选择了二阶隐式配方tem -细孔的离散化和中央差分方案空间。解决方案的连续性和速度方程直到流成为统计学通过监测扭矩稳定的叶轮。 和第二步是方程浓度的示踪剂是解决在时间域得到混合时间。示踪剂注入是假定的不影响流量。因此,分离时刻和示踪剂平方程是推测减少计算工作量。基于物理坐标位置的示踪剂添加,添加示踪剂在模拟是经过了几个细胞靠近它来确保质量的示踪剂在模拟
的相同的实验。的浓度示踪剂被初始化为1添加区域,在其余地区为0。和监测点设置在10毫米以上的底部坦克和50毫米的墙的柜,同样的
位置检测器在实验在两个挡板。

LES至强处理器运行在双吗(奔腾Ⅳ)机器(戴尔)和1 gb的内存,2 ghz的时钟频率和LINUX操作系统。模拟一个搅拌器速度流场做了在六个处理器并行需要大约4周时间去至少20革命以确保速度场统计稳定对浓度场耗时约3周。
5结果与讨论
5.1流场和浓度分布的示踪
速度和浓度场得到通过RANS和莱斯被吸引在图3和4。在一个真正的搅拌釜,有大漩涡和产生的宏观不稳定性,促进示踪剂通过这个边界物质交换。标准的k-ε模型不能全解释这一现象。但是LES可以捕捉细节涡旋甚至连小泰勒和柯尔莫哥洛夫微尺度由于筛孔尺寸足够小的模拟。所以莱斯可以给更准确的结果[-瞬时流量比RANS。可以看到图3和4、比较,得到从RANS,边界的循环循环在莱斯断了,不规则的,和很多大型和小型涡发生在大部分地区。之间的质量交换漩涡,甚至在整个柜可以解决准确地。混合过程可以直接看到从轮廓的浓度。

(垂直在中间两个挡板,N = 300 r·分钟1)
5.2响应曲线的示踪剂r
归一化曲线示踪响应实验,LES和RANS图5所示。从图5可以看到之间的实验和莱斯预测。响应曲线的形状的示踪剂主要是依赖在搅拌釜中大漩涡。LES能够捕捉到不同尺度的旋涡尤其是大漩涡,这导致良好的预测响应曲线的示踪剂。RANS方法只占的小旋涡和无法预测的合理响应曲线的示踪剂,如图5所示。

5.3混合时间的比较数值模拟实验
扭矩,M,就要通过叶轮是根据CFD分析使用的方法,Jaworskietal。每单位体积的力量在PV仿真计算电力需求的对比实验和数值模拟之间基于LES和图6所示RANS。良好的协议可以看到实验和LES之间或RANS,虽然LES提供略好预测。相对误差为莱斯和电力需求RANS分别是6.18%和9.30%。 之间的比较实验和混合时间数值模拟基于RANS和LES是图7所示。可以看到更好的协议在实验和LES预测和比RANS预测。相对误差的混合时间对于莱斯和RANS分别是9.26%和16.93%。正如上面提到的LES可以预测更精确的流体场和不同尺度的涡流,导致更好的实验和LES预测。

Figure 6比较功率单位体积的仿真结果和实验之间数
■experimental; ── LES; ------ RANS

以下经验修正方程：
液体混合时间电磁搅拌釜中提出的Ruszkowski[25]和Grenvilleetal被用工作

系数k为实验数据,LES和ANS分别为5.1,4.8和4.4。
结论：
大涡模拟流场和混合时间在一个直径0.476米的搅拌釜与一个3窄叶片水翼CBY叶轮已经执行。不稳定和准周期性的行为的湍流流动在搅拌釜是好被俘,这表明LES是一个精确的方法来模拟这种复杂的流动情况
示踪响应预测的曲线由莱斯是在良好的协议与实验。RANS方法未能预测合理的响应曲线。电力需求的相误差之间的实验和数值模拟对莱斯和RANS分别是6.18%和9.30%。 相对错误的实验和混合时间之间数值模拟对于LES和RANS分别为16.93%和9.26%。
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参考文献

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