硕士学位论文 多层桨搅拌釜内气含率特性的 实验研究与数值模拟 作者：丁程兵 指导教师：陈迁乔副教授 南京理工大学 2 0 1 4 年3 月 M a s t e rD e g r e eD i s s e r t a t i o n E x p e r i m e n t a lI n v e s t i g a t i o na n d N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fL o c a lG a s D i s p e r s i o nI nA S t i r r e d T a n kW i t hA M u l t i p l eI m p e l l e r B y ．D I N ．GC h e n g b i n g S u p e r v i s e db yA s s ．P r 西C H E NQ i a n q i a o N a n ji n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e & T e c h n o l o g y M a r c h ，2 0 1 4 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。
与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明 研究生签名：牮 沙丫年p 扫西日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名： 卯峄年弓月西日 硕士论文 多层桨搅拌釜内气含率特性的实验研究与数值模拟 摘要 气- 液搅拌反应器广泛用于生物化工、污水处理、石油化工、制药、食品工业等过 程工业中目前对气．液搅拌釜的研究主要集中在宏观特性的实验研究以及单层或双层 桨搅拌釜的数值模拟上，对多层桨搅拌釜内气体局部特性的实验研究及数值模拟较少 本文，首先采用双电导电极探针法对三层组合桨( H E D T + 2 W H D ) 搅拌釜内的气泡尺 寸和局部气含率进行了测量，得到搅拌釜内局部气含率及气泡尺寸分布，并考察了操作 条件对气泡局部特性的影响搅拌釜内局部气含率在轴向方向上呈现“双峰”分布趋势， 气泡尺寸分布不均匀，在桨叶区气泡尺寸较小，在顶层桨下方釜壁附近出现一峰值随 着通气量的增加，局部气含率和气泡均有所增大，但搅拌转速的增大，局部气含率与气 泡尺寸的变化有所差异，气含率继续呈现增大的趋势，但气泡尺寸有所下降。
其次，采用C F D 方法将E u l e r - E u l e r 双流体模型与包含气泡破碎与聚并的群体平衡 模型( P B M ) 相结合，对双层涡轮桨气．液搅拌釜内的局部气液参数进行了数值模拟，模拟 结果与文献实验值吻合较好研究比较了三种不同湍流模型对搅拌釜内气含率特性的影 响，结果表明：对于局部气含率，标准k ．￡和R N Gk - ￡模型在桨叶区的预测值偏大，而 R e a l i z a b l ek - ￡模型预测结果与实验值符合较好；对于气泡尺寸，R e a l i z a b l ek - E 模型预测 与实验值最为接近此工作为数值模拟时获取搅拌釜内更加准确的气泡参数，对湍流模 型的选取提供一定的依据 最后，在实验及数值模拟基础上，对实验装置进行了建模、网格划分以及数值模拟 获取了三层组合桨气．液搅拌釜内速度流场、局部气含率、气泡尺寸及分布等重要信息， 数值模拟结果与实验值吻合良好表明本文所采用的数值模拟方法能较好地对多层搅拌 釜内气液分散特性进行预测 关! 销司：气．液两相流，搅拌釜，多层桨，气泡尺寸，气含率，群体平衡模型，计算流 体力学 A b s U a c t硕士论文 A b s t r a c t G a s —l i q u i ds t i r r e dt a n kr e a c t o r sa l ew i d e l ya p p l i e di nm a n yp r o c e s si n d u s t r i e s ，s u c ha s b i o c h e m i c a l ，s e w a g et r e a t m e n t , p e t r o c h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a le t c ．S of a r , t h es t u d y c o n c e n t r a t e su p o ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o rt h eg l o b a lp r o p e r t i e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o fs i n g l eo rd u a l —i m p e l l e r ．V e r yf e we x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h e so nt h e g a s - l i q u i dm i x i n gi ns t i r r e dt a n k sw j t hm u l t i p l ei m p e l l e r sw e r ep u b l i s h e d ． T h el o c a lg a sh o l d u pa n db u b b l es i z e d i s t r i b u t i o nw e r e m e a s u r e dw i t h d o u b l e - t i p c o n d u c t i v i t yp r o b e si nam u l t i p l ei m p e l l e r ( H E D T + 2 W H o ) s t i r r e dt a n k ．T h ee f f e c t so fs t i r r i n g s p e e da n dg a si n l e tr a t eo ng a sd i s p e r s i o np e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d ．I tw a sf o u n dt h a t l o c a lg a sh o l d u ps h o w e dat r e n do fb i m o d a ld i s t r i b u t i o ni nt h ea x i a ld i r e c t i o n ．T h ed i s t r i b u t i o n o fb u b b l es i z ew a sn o n - u n i f o r m , t h es m a l l e s tb u b b l e sw e r ef o u n d e di nt h ei m p e l l e rd i s c h a r g e ， b u b b l ed i a m e t e ri n c r e a s e di nt h er e g i o na w a yf r o mt h ei m p e l l e r sw i t ham a x i m u mv a l u en e a r t h et o pi m p e l l e r ．T h el o c a lg a sh o l d u pa n db u b b l es i z ei n c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n go fg a s r a t e ，b u tt h eb u b b l es i z ed e c r e a s e dw h i l et h ea g i t a t o rs p e e di n c r e a s e ． T h eb u b b l es i z ea n dl o c a lg a sh o l d u pi nas t i r r e dt a n kw i t hd u a lt u r b i n ei m p e l l e r sh a d b e e ns i m u l a t e du s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( C F D ) ．T h eE u l e r - E u l e rm u l t i p h a s ef l o w m o d e l ，m u l t i p l ef l a m e so fr e f e r e n c e ( M F R ) m e t h o dw e r eu s e di nt h es i m u l a t i o n s ．Ap o p u l a t i o n b a l a n c em o d e l ( P B M ) m o d e lW a si m p l e m e n t e di no r d e rt oa c c o u n tf o rt h ec o m b i n e de f f e c to f b u b b l eb r e a k - u pa n dc o a l e s c e n c ei nt h et a n k ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l l 、析t h t h e e x p e r i m e n t a lv a l u e sw h i c hc o m ef r o mr e f e r e n c e ．A l s ot h ee f f e c t so fd i f f e r e n tt u r b u l e n tm o d e l s h a db e e ns t u d i e d ，t h es t a n d a r dk - ￡a n dR N Gk - ￡m o d e l so v e rp r e d i c t e dt h el o c a lg a sh o l d u p v a l u e sa tt h ei m p e l l e rr e g i o n s ，t h er e a l i z a b l ek - Em o d e lg a v et h eb e s tr e s u l tc o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lv a l u e s ． F i n a l l y ，t h eh y d r o d y n a m i c sa n dm a s st r a n s f e ri nag a s —l i q u i dt r i p l e - i m p e l l e rs t i r r e dt a n k r e a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e du s i n gm u l t i p h a s ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc o u p l e dw i t h p o p u l a t i o nb a l a n c em e t h o d ．T h eE u l e r - E。