论文总字数：26036字

摘 要

搅拌设备是许多发生化学反应或者物质变化的重要场所，在许多现代化的工业生产中，比如化工、医药、食品、采矿、造纸等有着十分广泛的应用，随着工业的不断发展以及现代化生产需求的不断提高，对搅拌槽内的流动的要求也越来越高。长期以来，国内外的许多学者和研究人员对搅拌槽内部的流场都做了深入的研究，在研究过程中，越来越多的学者认为能够准确的认识到搅拌槽内的流动状态对搅拌器的优化以及新型桨叶的开发有着十分重要的意义。

本文在搅拌槽内的流场研究这一块内容上，主要应用CFD模拟软件就搅拌槽内的流场状况、模拟计算方法以及对搅拌功率造成影响的一些因素做出了简单的研究以及分析，而且就改进型Inter-MIG桨在搅拌领域中的应用做出了简单的研究。

在对搅拌功率这一块的研究中，通过实验模拟，得出了以下结论：

1. 通过对通气量的模拟研究发现，随着通气量的增加，通气对搅拌混合过程产生的不利影响会逐渐减小；
2. 通过对搅拌转速的模拟研究发现，随着转速的增加，搅拌功率的也随之增大，并且两者之间并不是呈现出线性关系；
3. 通过对搅拌桨直径的模拟研究发现，随着桨径的增加，搅拌功率也随之增大并且与呈现一定规律，伴随着转速的增大，功率消耗的增量也不断增加，并且桨径越大，产生的功率增量也越大；
4. 除了以上三种因素之外，桨叶角度，桨叶数量，液体深度，挡板宽度，挡板数量以及物料的物性参数等因素都会对搅拌功率造成一定的影响。

关键词：搅拌功率 改进型Inter-MIG桨 CFD 实验 数值模拟

ABSTRAET

Mixing equipment is many chemical reactions or material changes in the important places, in many of the modern industrial production, such as chemical,pharmaceutical, food, mining, paper and other has a very wide range of applications, with the improvement of industrial development and modernization of production and demand, the stirring tank flow requi- rements is also more and more high.For a long time, many scholars and researchers at home and abroad on the stirring tank with internal flow field do in-depth research, in the course of the study, more and more scholars think can accurately recognize stirred tank flow state on the stirrer optimization and new blade development has a very important significance.

This paper in the stirring tank flow field of this a piece of content, the main application of CFD simulation software stir on groove of the flow field, simulation method and some factors affecting the stirring power to make a simple research and analysis, and to improve the Inter-MIG propeller makes a simple research in the application of mixing in the field.

In the study of the stirring power, the following conclusions are drawn through the experimental simulation:

（1）Through the simulation of ventilation volume, it is found that, with the increase of the volume of ventilation, the adverse effects of ventilation on the mixing process will be gradually reduced;

（2）Through the simulation of the mixing speed, it is found that with the increase of speed, the mixing power increases, and there is not a linear relationship between the two;

（3）Through mixing of diameter propeller simulation study found, with impeller diameter increases, stirring power also increases and show a

certain regularity, along with the increase of speed, increase power consumption will continue to increase, and pitch size is bigger and bigger, the increment of power is greater;

（4）In addition to the above three factors, the blade angle, the number of blades, the depth of the liquid, the width of the baffle, baffle number and material parameters and other factors will have a certain impact on the mixing power.

KEYWORDS: Stirring Power Improved Inter-MIG Propeller CFD

Experiment Numerical Simulation

目 录

摘 要 I

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1 搅拌器概述 1

1.2 搅拌釜流场的形态及特点 2

1.2.1 径向流 2

1.2.2 轴向流 3

1.2.3 切向流 3

1.3 CFD技术在搅拌槽内的应用 4

1.3.1 CFD模拟技术介绍 4

1.3.2 流体力学运算的基本方程 4

1.4 CFD在气液搅拌槽内的发展 4

1.4.1 气液两相流中气泡的处理方法 5

1.5 改进型INTER-MIG桨研究进展 6

1.6 研究目的与意义 8

1.7 本章小结 .................................................................................................... 8

第二章 气液搅拌槽CFD模拟方法 9

2.1 多相流CFD模拟基本方法 9

2.2 两相模型 9

2.2.1 双流体模型（欧拉-欧拉模型） 9

2.2.2 流体-轨道模型（欧拉-拉格朗日模型） 11

2.3 CFD-PBM模型 11

2.3.1 PBM模型的概念 11

2.3.2 CFD-PBM模拟的数值模拟方法 12

2.4 湍流模型 13

2.4.1 尾涡结构 13

2.4.2 湍流扩散力 14

2.4.3 能量耗散速率 14

2.5 搅拌桨运动模型 14

2.5.1 多重参考系(MRF)法 15

2.5.2 滑移网格(SM)法 16

2.5 本章小结 17

第三章 气液搅拌槽的模拟过程 18

3.1 研究对象几何模型及网格划分 18

3.1.1 几何数值模型 18

3.1.2 网格划分方法 19

3.2 边界条件/模拟策略 20

3.3 网格无关性验证 21

3.4 本章小结 22

第四章 搅拌功率的分析与研究 23

4.1 搅拌功率 23

4.2 通气搅拌功率 24

4.2.1 通气量对搅拌功率的影响 24

4.2.2 转速对搅拌功率的影响 26

4.2.3 桨径对搅拌功率的影响 27

4.3 本章小结 28

第五章 气液分散特性分析 29

5.1 宏观流场特性 29

5.1.1 通气量对宏观流场的影响 29

5.1.2 转速对宏观流场的影响 29

5.1.3 影响宏观流场特性的其他因素 30

5.2 气含率 30

5.2.1 整体气含率 30

5.2.2 局部气含率 31

5.3 本章小结 35

参考文献 36

第一章 绪论

1.1 搅拌器概述

搅拌操作是指通过搅拌器旋转，使单相或者多相物质彼此混合分散，是一种传热传质过程。机械搅拌设备因其结构简单、制造方便、操作稳定、各相间接触面积大、混合效果好而广泛应用诸多领域，特别是在染料、石油、精细化工、废水处理、制药、油漆等行业^[1]。在化工以及一些其他的工业领域中，搅拌操作应用广泛，而搅拌设备在很多的操作中都属于整个工艺流程的核心设备，对搅拌器的认识也显得尤其重要。在工业装备不断进步升级的大趋势下，各种类型的机械搅拌设备也在不断地向自动化智能控制的方向发展。同时，在当前节能减排降低能耗的大环境下，设计制造出的搅拌设备应该既能满足工艺要求，又能保证较低能耗，这使得对搅拌设备以及搅拌槽内流场的认识需要更进一步提升。搅拌设备主要由搅拌器、筒体、挡板等各类附件、旋转轴和电机等部分构成^[2]，其中搅拌槽的典型结构如图1-1所示。

1-搅拌器；2-釜体；3-夹套；4-搅拌轴；5-支座；6-加料口；7-轴封；8-传动装置

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