文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

双层搅拌气液反应器的CFD模拟

王嘉骏*,冯连芳,顾雪萍,杨富军
(浙江大学化学工程与生物工程系聚合反应工程国家重点实验室,浙江杭州 310027)

摘要:气液分散过程在工业中广泛应用,目前对多层叶轮在气液分散过程中应用的数值模拟研究很少。首先应用流体力学
软件FLUENT对搅拌槽内双层搅拌桨(提升式斜叶涡轮PTU和圆盘式涡轮DT)的单相流场进行了模拟,并与激光多普勒测
速仪LDV测试结果进行了比较。进一步对气液两相流进行三维CFD非稳态模拟,研究了带气体分布器的两层搅拌桨组合在不
同转速和气速条件下的速度场和气含率分布等。实验结果表明,底部提升式斜叶涡轮PTU和圆盘式涡轮DT可形成较强的气
体再循环流,从而提高气含率。模拟过程采用双流体模型和标准k-ε湍流模型,并采用滑移网格方法来处理搅拌器和挡板的
相对移动。最后分别采用两种曳力系数模型,考察气液间曳力对气液动力学的影响。
关键词:搅拌反应器气体分散 CFD 混合双流体模型

引言
由于搅拌反应器在工业中的广泛应用,近三十年来,对搅拌槽内气一液两相分散特性已得到了广泛研
究。目前已发表的文献中对两层桨的气-液分散特性的研究,多数仍是采用传统的六叶圆盘涡轮桨进行的,
由于该桨型具有明显的分区特征,对于全槽的轴向混合极为不利[1]。而对实际工业过程所需的由不同桨型
构成的多层组合桨的气液分散特性研究较少。
另外,目前的大量研究仍局限于实验研究多层桨搅拌釜的混合时间、搅拌功率以及传热系数和气液分
散等宏观现象,而对其数值模拟的微观研究还比较少。采用计算流体力学方法 CFD 研究搅拌反应器内的
流动场已经取得了很大进展,国内外对搅拌器的数值模拟方面已经做了不少的研究工作,但对搅拌反应器
内多相体系的 CFD 模拟研究还很缺乏[2,3]。
本文应用 LDV 对多层搅拌桨的单相流场进行了测量,然后采用 CFD 方法对单相体系和气液两相体系
进行模拟,与实验结果进行了比较,并分析了不同气液曳力模型的模拟效果。
1 实验部分
实验在内径为 390 mm、槽高为 1000 mm 的平底圆柱形有机玻璃搅拌槽内进行。采用双层搅拌桨,液
位高度为 520mm。下层桨为四叶上扬斜桨(PTU),桨直径 185mm,离底距离 136 mm。上层桨为六叶圆盘
涡轮(DT),桨直径为 175mm,离底距离 311mm。搅拌槽内设置 4 块标准挡板,搅拌桨转速从 0~400 rpm
连续可调。本研究对搅拌转速 N=200 rpm 的流场进行了模拟与分析。气体由直径为 124mm 的环形气体分
布器通入搅拌槽底部。全槽平均气含率由观测的液位高度计算得出。采用 TSI 公司三维氩离子激光多谱勒
测速仪测试流场。

*联系人及第一作者:王嘉骏,男,1973-,出生于河南郑州,副教授,博士,研究方向:聚合反应工程与流体混合技术,
******@zju.
基金项目:国家自然科学基金重大项目资助,化工过程中的时空多尺度结构及其效应(20490200)
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2005 Fluent 中国用户大会论文集
2 数值模拟结果
模拟策略
本研究应用 GAMBIT 软件和 FLUENT