對(duì)數(shù)螺旋面攪拌葉輪設(shè)計(jì)及固液攪拌流動(dòng)研究.pdf

1、隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化的發(fā)展，城市污水排放量急劇增加，攪拌器作為主要的污水處理設(shè)備，其攪拌和推流效果對(duì)污水處理質(zhì)量有著重要影響，而攪拌葉輪設(shè)計(jì)中一直存在水力模型欠佳，攪拌效率不高，功率消耗過(guò)大等問(wèn)題。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)新型攪拌葉輪的開(kāi)發(fā)及其攪拌流動(dòng)的分析成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外攪拌設(shè)備領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。 本文通過(guò)對(duì)攪拌葉輪設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及攪拌流動(dòng)特點(diǎn)的分析，提出新型對(duì)數(shù)螺旋面攪拌葉輪設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其產(chǎn)

2、生的固液攪拌流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬及PIV測(cè)試，旨在較全面細(xì)致地了解該新型攪拌葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特征，為高效攪拌葉輪的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。本文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　1.在全面系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外攪拌葉輪設(shè)計(jì)和攪拌流動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合固液兩相流、攪拌混合機(jī)理及固液懸浮等基本理論，對(duì)攪拌葉輪作用下的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了較全面深入的分析，并針對(duì)攪拌流場(chǎng)三維粘性湍流流動(dòng)的計(jì)算模型和方法進(jìn)行了討論。
　　2.以固液兩相流

3、理論為指導(dǎo)，首次提出對(duì)數(shù)螺旋面攪拌葉輪設(shè)計(jì)方案。針對(duì)傳統(tǒng)攪拌葉輪在實(shí)際使用過(guò)程出現(xiàn)的功率消耗大，攪拌不均勻，易出現(xiàn)攪拌死角等問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了對(duì)數(shù)螺旋面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能有效地降低流動(dòng)損失，將軸向?qū)Я骱蛷较驍嚢鑳刹糠纸Y(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合，即使在沒(méi)有池壁反射下也能形成軸向和徑向流動(dòng)，更容易獲得立體循環(huán)攪拌流量，效率更高，攪拌效果更好。借鑒離心式兩相流泵葉片型線，選用對(duì)數(shù)螺旋線為新型攪拌葉輪葉片的型線方程，并采用離心泵開(kāi)式葉輪設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)造

4、型。
　　3.以顆粒動(dòng)力學(xué)理論和固液兩相雙流體模型基本控制方程為基礎(chǔ)，本文成功地在高濃度固液流動(dòng)中引入擬平衡狀態(tài)下顆粒和流體之間新的相互作用力項(xiàng)，即附加力項(xiàng)，簡(jiǎn)化了歐拉-歐拉雙流體模型。以該模型為基礎(chǔ)編寫(xiě)自定義函數(shù)，采用FLUENT軟件，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算，兩者吻合較好，能滿足工程使用要求。據(jù)此表明，所建立的雙流體模型能正確反映在整個(gè)攪拌過(guò)程中固液兩相的流動(dòng)特征;數(shù)值計(jì)算能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出攪拌系統(tǒng)內(nèi)的固液流動(dòng)情況，顆粒的濃

5、度分布、懸浮效果，反映了實(shí)際的攪拌過(guò)程。
　　4.運(yùn)用計(jì)算模型及FLUENT軟件，通過(guò)監(jiān)控在不同雷諾數(shù)條件下對(duì)數(shù)螺旋面攪拌葉輪的力矩，計(jì)算該攪拌葉輪的功率消耗，從而得到相應(yīng)的無(wú)量綱功率準(zhǔn)數(shù)，成功繪制出對(duì)數(shù)螺旋面葉輪功率準(zhǔn)數(shù)隨Re變化曲線。經(jīng)對(duì)比分析，在相同工作條件下對(duì)數(shù)螺旋面攪拌葉輪較傳統(tǒng)軸流式葉輪(MK四斜葉整體開(kāi)啟渦輪)和徑流式葉輪（PY平直葉圓盤(pán)渦輪）具有更低的功率準(zhǔn)數(shù)，即功率消耗更低，更節(jié)能。
　　5.首次針對(duì)對(duì)數(shù)螺

6、旋面攪拌葉輪在方形污水池中的固液攪拌流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并以傳統(tǒng)的MK和PY葉輪為比照，對(duì)比分析所形成攪拌流場(chǎng)的速度、濃度分布、固體顆粒懸浮效果、臨界攪拌轉(zhuǎn)速、功率消耗、混合時(shí)間等攪拌性能指標(biāo)，結(jié)果表明:(1)池內(nèi)流體在對(duì)數(shù)螺旋面葉輪的作用下形成徑向射流，水流運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為沿著葉輪的徑向和切向運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)流部件的作用下，形成整個(gè)水體的軸向循環(huán)運(yùn)動(dòng);(2)在各種轉(zhuǎn)速下，各攪拌葉輪下方的固體顆粒濃度大于上方的固體顆粒濃度;隨著轉(zhuǎn)速的增大，固體顆

7、粒在流場(chǎng)中接近均勻混合;(3)隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，固相懸浮均勻度逐漸減小，混合時(shí)間逐步遞減，功率消耗逐漸增加，流場(chǎng)的混合效果不斷提高。以懸浮均勻度為依據(jù)，可推斷出各攪拌葉輪的臨界攪拌轉(zhuǎn)速;(4)在相同葉輪直徑及轉(zhuǎn)速的情況下，混合效果MK葉輪較差，對(duì)數(shù)螺旋面葉輪較好，PY葉輪最佳，但PY葉輪功率消耗最大，對(duì)數(shù)螺旋面葉輪則最節(jié)能。
　　6.首次進(jìn)行多方案方形污水池?cái)嚢枇鲃?dòng)PIV測(cè)試及固液懸浮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)數(shù)螺旋面葉輪和MK葉輪