反應(yīng)釜外文翻譯--在攪拌釜中大渦模擬的混合時(shí)間

1、<p>　　在攪拌釜中大渦模擬的混合時(shí)間</p><p>　　化學(xué)工程學(xué)院,北京化工大學(xué),北京100029,中國(guó)</p><p>　　簡(jiǎn)要：大渦模擬(LES)的混合過(guò)程在一個(gè)直徑0.476米的攪拌釜用3狹窄的葉片水翼CBY葉輪被報(bào)道。湍流流場(chǎng)的計(jì)算和混合時(shí)間使用KES SmagorinskyLilly次網(wǎng)格尺度模型。 葉輪旋轉(zhuǎn)是建模使用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)?！半娏π枨蠛突旌蠒r(shí)間獲得從實(shí)驗(yàn)

2、和LES之間進(jìn)行了預(yù)測(cè)要比傳統(tǒng)的雷諾平均 n - s(RANS)方法要好。示蹤響應(yīng)預(yù)測(cè)的曲線由LES和實(shí)驗(yàn)之間來(lái)預(yù)測(cè)的。結(jié)果表明,LES是一個(gè)可靠的工具來(lái)研究在攪拌罐里不穩(wěn)定周期行為的紊流。</p><p>　　關(guān)鍵詞：大渦模擬,次網(wǎng)格尺度模型、混合時(shí)間、水翼葉輪</p><p>　　1 介紹：機(jī)械攪拌罐廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)過(guò)程。在攪拌釜中流結(jié)構(gòu)是高度三維并且復(fù)雜,涵蓋范圍廣泛的空間和時(shí)間尺

3、度。液體是通過(guò)坦克傳閱的作用下旋轉(zhuǎn)葉輪。這個(gè)漩渦葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,保留其相干就大量距離到散裝液體,伴隨著高剪切率和強(qiáng)烈的湍流活動(dòng)。因此,他們是必不可少的在流場(chǎng)的混合性能?；旌蠒r(shí)間,θm,是時(shí)候需要混合添加二級(jí)液體與容器的內(nèi)容有一定程度的均勻性,通常θ95為了達(dá)到95%以上最后的濃度。在任何情況下,混合時(shí)間的一個(gè)攪拌釜通常用于指示其有效性。知識(shí)的混合時(shí)是需要時(shí)間的優(yōu)化設(shè)計(jì)的攪拌罐。在過(guò)去的30年廣泛的實(shí)驗(yàn)研究已報(bào)道混合時(shí)間。在過(guò)去的二十年里

4、,進(jìn)展取得了在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬混合過(guò)程擁有偉大的計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。Ranadeetal用數(shù)值仿真給詳細(xì)的流和散裝混合產(chǎn)生的向下流投球葉片渦輪在一個(gè)完全困惑的圓柱形容器。undenetal 和Schmalzriedt和羅伊斯形式-遲來(lái)的脈沖示蹤實(shí)驗(yàn)解決了材料在三維流場(chǎng)平衡與拉什頓渦輪(DT6)他們建議的質(zhì)量結(jié)果是高度依賴于精確的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算,特別是關(guān)于湍流建模。Jaworskietal報(bào)道,θ95計(jì)算大約兩到三次測(cè)量值在與雙

5、DT6攪拌罐,</p><p>　　LES,首先采用攪拌釜的集成判別算法,是被證明是一個(gè)不錯(cuò)的方法,研究湍流流動(dòng)不穩(wěn)定和準(zhǔn)周期性的行為。隨后Revstedtetal指出lES會(huì)贊成見(jiàn)詳細(xì)的流場(chǎng),無(wú)法取得所謂的雷諾平均方程和共同響應(yīng)模型,然后Revstedt和Fuchs模擬了槽攪拌通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Scaba拉什頓葉輪或6 srgt葉輪。Derksenetal使用與Smagorinsky LES次網(wǎng)格模型中,Smagor

6、insky常數(shù)c = 0.12,以模擬困惑的攪拌釜驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)拉什頓Re = 29000和Derksen也模擬單相流由一個(gè)搭葉片葉輪使用LES與標(biāo)準(zhǔn)Smagorinsky或結(jié)構(gòu)函數(shù)的次網(wǎng)格模型。作者所有的關(guān)注研究了三維速度和和湍動(dòng)能在攪拌釜和證明LES是一個(gè)好工具的調(diào)查紊流在工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際意義。在這部作品中,Smagorinsky-Lilly 和LES介紹了次網(wǎng)格模型首先在模擬混合濃度的過(guò)程中,通過(guò)監(jiān)測(cè)示蹤劑得到混合時(shí)間在槽攪拌,在3狹窄

7、葉片水翼CBY葉輪。LES和RANS之間作了比較。</p><p><b>　　2 物理和計(jì)算配置</b></p><p>　　攪拌釜的使用在這個(gè)工作是一個(gè)有機(jī)玻璃船0.476米直徑與平底和四個(gè)擋板。環(huán)境使用的自來(lái)水。一個(gè)3狹窄的葉片水翼CBY葉輪被使用。葉輪速度 n是150、180、260和300 r·分鐘1(對(duì)應(yīng) Re =ρND2 /ν= 9×

8、1.8×104 105)分別和流體流動(dòng)和湍流動(dòng)</p><p>　　。實(shí)驗(yàn)儀器的細(xì)節(jié)都顯示在圖1</p><p>　　圖 1（一)的視圖的攪拌釜和(b)3狹窄葉片水翼CBY葉輪</p><p>　　(T=476mm; H/T=1.0; C/T=1/3; D/T=0.4; WB/T=0.1)</p><p><b>　　3

9、實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　θ95測(cè)量電導(dǎo)率的變化在引進(jìn)少量的示蹤劑(飽和氯化鉀溶液)。10毫升的示蹤劑被加入到自由表面的液體是-二層兩個(gè)擋板。探測(cè)器安裝在位置的底部附近的坦克的對(duì)面添加點(diǎn)。電導(dǎo)儀的輸出是通過(guò)收購(gòu)獲得一個(gè)模擬濾波器和一個(gè)放大器和A / D轉(zhuǎn)換器,然后存儲(chǔ)為后續(xù)分析。這些測(cè)量重復(fù)在至少5次,實(shí)驗(yàn)條件得到一般的混合時(shí)間。葉輪轉(zhuǎn)速和軸轉(zhuǎn)矩測(cè)量通過(guò)分別使用光學(xué)電子轉(zhuǎn)速表和轉(zhuǎn)矩傳感器。這個(gè)

10、詳細(xì)描述報(bào)告在其他紙上[12]但是唯一不同的是,目前的水槽有一個(gè)平底而不是壓制基地[13]在目前的工作模式被選擇。</p><p><b>　　4 數(shù)學(xué)方法</b></p><p><b>　　4.1流模型</b></p><p>　　主要的困難相關(guān)的模擬湍流在攪拌釜是廣泛的范圍的尺度:從規(guī)模小的體積的水槽的尾渦結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)

11、與葉輪葉片運(yùn)動(dòng),和大污風(fēng)再循環(huán)物理幾何的限制水槽。所以質(zhì)量和精度的仿真在攪拌釜嚴(yán)重依賴于湍流模型。</p><p>　　一個(gè)非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)是可能的手段直接數(shù)值模擬(DNS)。在DNS中,流體運(yùn)動(dòng)到耗散尺度是解決和它因此僅適用于相對(duì)低雷諾數(shù)字流和不適用于工業(yè)相關(guān)應(yīng)用程序。</p><p>　　在雷諾平均Navier-Stokes (RANS)模型只代表運(yùn)輸方程的意思流數(shù)量, 與所有的尺度的湍

12、流建模相比。這種方法允許解決方案的平均流量變量大大減少了計(jì)算工作量。如果平均流量是穩(wěn)定的控制方程沒(méi)有包含時(shí)間衍生品和一個(gè)穩(wěn)態(tài)解可以得到經(jīng)濟(jì)上的。計(jì)算的優(yōu)勢(shì)是看到即使在瞬態(tài)情況下,由于時(shí)間步將取決于全球不穩(wěn)定在平均流量而非由湍流。雷諾平均的方法通常是采用實(shí)用的工程的計(jì)算,并利用模型Spalart-Allmaras等k-ε,k-ω,RSM及其變體。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,k-εRNG模型[14]和各向異性代數(shù)雷諾應(yīng)力模型[15],是最簡(jiǎn)單的模型和

13、可以預(yù)測(cè)完全湍流流場(chǎng)合理嗎同意實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以與LES相比較，標(biāo)準(zhǔn)k-ε型,k-εRN模型[14]和各向異性代數(shù)雷諾應(yīng)力模型[15],是最簡(jiǎn)單的模型和可以預(yù)測(cè)完全湍流流場(chǎng)合理性，同意實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以與LES相比較，標(biāo)準(zhǔn)k-ε在目前的工作模式被選擇。</p><p>　　LES是一個(gè)介于DNS和RANS方法。 基本上大的渦流解析直接用LES,而小旋渦用建模。在LES,控制方程用于LES是得到過(guò)濾含n - s方程在傅里葉

14、(波數(shù))空間或配置(物理)空間。過(guò)濾過(guò)程有效地過(guò)濾掉的旋渦，濾波器的寬度或網(wǎng)格間距用于計(jì)算。由此產(chǎn)生的方程從而支配大漩渦的動(dòng)力學(xué)。一個(gè)過(guò)濾變量被定義為</p><p>　　這里 ?是流體域和G是過(guò)濾器函數(shù)確定解決的規(guī)模的旋渦。</p><p>　　在 FLUENT中有限體積離散化它-自隱式地提供了過(guò)濾操作:</p><p>　　在V是一個(gè)計(jì)算單元的體積。這個(gè)濾波函數(shù)

15、,G(X,X ),然后這里暗示的</p><p>　　不可壓縮Navier-Stokes方程,過(guò)濾</p><p>　　其結(jié)果 </p><p><b>　　和</b></p><p><b>　　?</b></p><p>　　是次網(wǎng)格尺度應(yīng)力定

16、義為</p><p><b>　　?</b></p><p>　　應(yīng)力造成的次網(wǎng)格尺度從費(fèi)爾-增長(zhǎng)率操作未知,需要建模。</p><p>　　最基本的次網(wǎng)格尺度模型是Sma -gorinsky-Lilly模型,在Smagorinsky-Lilly模型,來(lái)模擬渦流粘度</p><p>　　這里L(fēng)s是次網(wǎng)格尺度的混合長(zhǎng)度是應(yīng)

17、變率張量解析后的量表。Ls是計(jì)算</p><p>　　使用這里的K是卡門常數(shù),d是到最近的墻壁的距離,V是體積計(jì)算細(xì)胞,CS是Smagorinsky常數(shù)。 它被設(shè)置為0.1在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)各種流動(dòng)產(chǎn)生最好的結(jié)果。</p><p><b>　　4.2混合網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　對(duì)混合槽模擬執(zhí)行, 計(jì)算網(wǎng)格是由兩個(gè)部分:一個(gè)內(nèi)心旋轉(zhuǎn)圓柱體積封

18、閉渦輪,和一個(gè)外固定體積含其余的坦克。網(wǎng)戰(zhàn)略技術(shù)的采用是結(jié)合結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化</p><p>　　網(wǎng)格(17 - 19)。葉輪區(qū)域分為聯(lián)合-結(jié)構(gòu)化的四面體細(xì)胞和強(qiáng)化來(lái)獲得更多準(zhǔn)確的描述葉輪。和其余的散裝的水槽相結(jié)合是處理多嵌段的方法,在六面體的細(xì)胞計(jì)算中被用來(lái)減少成本的計(jì)算。所以在RANS細(xì)胞的大小選擇內(nèi)部分4毫米和外部分8毫米。但考慮到葉片厚度和泰勒微尺度(7、8、20),所以這是選擇2毫米和4毫米LES。網(wǎng)格

19、節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量是1044356的LES和373775在RANS,見(jiàn)圖2。</p><p><b>　　4.3葉輪描述</b></p><p>　　對(duì)混合槽模擬執(zhí)行,計(jì)算網(wǎng)格是由兩個(gè)部分:一個(gè)內(nèi)心旋轉(zhuǎn)圓柱體積封閉渦輪,和一個(gè)外固定體積含其余坦克。網(wǎng)格戰(zhàn)略技術(shù)的采用是結(jié)合結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(17 - 19)。葉輪區(qū)域分為聯(lián)合-結(jié)構(gòu)化的四面體胞和強(qiáng)化來(lái)獲得更多準(zhǔn)確的描述葉輪

20、。和其余的散裝的坦克,是處理多嵌段的方法,在六面體的細(xì)胞被用來(lái)少主要的困難在模擬攪拌坦克是準(zhǔn)確的表示的葉輪作用。這個(gè)滑動(dòng)網(wǎng)格(SM)和多個(gè)參考系(MRF)技術(shù)是兩個(gè)有效的方法處理與葉輪的影響,實(shí)現(xiàn)商業(yè)軟件如流利。磁流變液的方法,在該地區(qū)的葉輪和葉輪蒸汽被描述為旋轉(zhuǎn)參考架和固定架或網(wǎng)格是選擇流葉輪區(qū)域外。在SM科技-種新型pvc樹(shù)脂,它實(shí)際上是一個(gè)瞬態(tài)方法,兩個(gè)網(wǎng)格產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的葉輪和一個(gè)固定式代表散裝罐。在相同條件下,滑動(dòng)網(wǎng)格方法需要太

21、多更多的計(jì)算時(shí)間,數(shù)據(jù)是反式-在轉(zhuǎn)讓之間的接口兩個(gè)網(wǎng)格。使磁流變液提供了一個(gè)合理的模型時(shí)均流和SM可以計(jì)算不穩(wěn)定和瞬態(tài)流場(chǎng)。SM方法在這部作品中所使用的LES。</p><p>　　第一步是計(jì)算的連續(xù)性和ve -使用標(biāo)準(zhǔn)的k-εlocity方程模型,結(jié)果發(fā)表在其他地方在流場(chǎng)有點(diǎn)聚集,結(jié)果被用作一個(gè)ini -弧離子鍍條件萊斯仿真。仿真選擇了二隱式配方tem -細(xì)孔的離散化和中央差分2006年2月LES過(guò)程第一步是計(jì)

22、算的連續(xù)性和ve -使用標(biāo)準(zhǔn)的k-εlocity方程模型,結(jié)果發(fā)表在其他地方。在流場(chǎng)有點(diǎn)聚集,結(jié)果被用作一個(gè)ini -多弧離子鍍條件萊斯仿真。仿真選擇了二階隱式配方tem -細(xì)孔的離散化和中央差分方案空間。解決方案的連續(xù)性和速度方程直到流成為統(tǒng)計(jì)學(xué)通過(guò)監(jiān)測(cè)扭矩穩(wěn)定的葉輪。 和第二步是方程濃度的示蹤劑是解決在時(shí)間域得到混合時(shí)間。示蹤劑注入是假定的不影響流量。因此,分離時(shí)刻和示蹤劑平方程是推測(cè)減少計(jì)算工作量?；谖锢碜鴺?biāo)位置的示蹤劑添加,添

23、加示蹤劑在模擬是經(jīng)過(guò)了幾個(gè)細(xì)胞靠近它來(lái)確保質(zhì)量的示蹤劑在模擬</p><p>　　的相同的實(shí)驗(yàn)。的濃度示蹤劑被初始化為1添加區(qū)域,在其余地區(qū)為0。和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在10毫米以上的底部坦克和50毫米的墻的柜,同樣的</p><p>　　位置檢測(cè)器在實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)擋板。</p><p>　　LES至強(qiáng)處理器運(yùn)行在雙嗎(奔騰Ⅳ)機(jī)器(戴爾)和1 gb的內(nèi)存,2 ghz的時(shí)鐘頻率和

24、LINUX操作系統(tǒng)。模擬一個(gè)攪拌器速度流場(chǎng)做了在六個(gè)處理器并行需要大約4周時(shí)間去至少20革命以確保速度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定對(duì)濃度場(chǎng)耗時(shí)約3周。</p><p><b>　　5結(jié)果與討論</b></p><p>　　5.1流場(chǎng)和濃度分布的示蹤</p><p>　　速度和濃度場(chǎng)得到通過(guò)RANS和萊斯被吸引在圖3和4。在一個(gè)真正的攪拌釜,有大漩渦和產(chǎn)生的宏觀不

25、穩(wěn)定性,促進(jìn)示蹤劑通過(guò)這個(gè)邊界物質(zhì)交換。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型不能全解釋這一現(xiàn)象。但是LES可以捕捉細(xì)節(jié)渦旋甚至連小泰勒和柯?tīng)柲缏宸蛭⒊叨扔捎诤Y孔尺寸足夠小的模擬。所以萊斯可以給更準(zhǔn)確的結(jié)果[-瞬時(shí)流量比RANS?？梢钥吹綀D3和4、比較,得到從RANS,邊界的循環(huán)循環(huán)在萊斯斷了,不規(guī)則的,和很多大型和小型渦發(fā)生在大部分地區(qū)。之間的質(zhì)量交換漩渦,甚至在整個(gè)柜可以解決準(zhǔn)確地?；旌线^(guò)程可以直接看到從輪廓的濃度。</p><p&

26、gt;　　(垂直在中間兩個(gè)擋板,N = 300 r·分鐘1)</p><p>　　5.2響應(yīng)曲線的示蹤劑r</p><p>　　歸一化曲線示蹤響應(yīng)實(shí)驗(yàn),LES和RANS圖5所示。從圖5可以看到之間的實(shí)驗(yàn)和萊斯預(yù)測(cè)。響應(yīng)曲線的形狀的示蹤劑主要是依賴在攪拌釜中大漩渦。LES能夠捕捉到不同尺度的旋渦尤其是大漩渦,這導(dǎo)致良好的預(yù)測(cè)響應(yīng)曲線的示蹤劑。RANS方法只占的小旋渦和無(wú)法預(yù)測(cè)的合理

27、響應(yīng)曲線的示蹤劑,如圖5所示。</p><p>　　5.3混合時(shí)間的比較數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)</p><p>　　扭矩,M,就要通過(guò)葉輪是根據(jù)CFD分析使用的方法,Jaworskietal。每單位體積的力量在PV仿真計(jì)算電力需求的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬之間基于LES和圖6所示RANS。良好的協(xié)議可以看到實(shí)驗(yàn)和LES之間或RANS,雖然LES提供略好預(yù)測(cè)。相對(duì)誤差為萊斯和電力需求RANS分別是6.18%

28、和9.30%。 之間的比較實(shí)驗(yàn)和混合時(shí)間數(shù)值模擬基于RANS和LES是圖7所示?？梢钥吹礁玫膮f(xié)議在實(shí)驗(yàn)和LES預(yù)測(cè)和比RANS預(yù)測(cè)。相對(duì)誤差的混合時(shí)間對(duì)于萊斯和RANS分別是9.26%和16.93%。正如上面提到的LES可以預(yù)測(cè)更精確的流體場(chǎng)和不同尺度的渦流,導(dǎo)致更好的實(shí)驗(yàn)和LES預(yù)測(cè)。</p><p>　　Figure 6比較功率單位體積的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)之間數(shù)</p><p>　　■e

29、xperimental; ── LES; ------ RANS</p><p><b>　　以下經(jīng)驗(yàn)修正方程：</b></p><p>　　液體混合時(shí)間電磁攪拌釜中提出的Ruszkowski[25]和Grenvilleetal被用工作</p><p>　　系數(shù)k為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),LES和ANS分別為5.1,4.8和4.4。</p>&

30、lt;p><b>　　結(jié)論：</b></p><p>　　大渦模擬流場(chǎng)和混合時(shí)間在一個(gè)直徑0.476米的攪拌釜與一個(gè)3窄葉片水翼CBY葉輪已經(jīng)執(zhí)行。不穩(wěn)定和準(zhǔn)周期性的行為的湍流流動(dòng)在攪拌釜是好被俘,這表明LES是一個(gè)精確的方法來(lái)模擬這種復(fù)雜的流動(dòng)情況</p><p>　　示蹤響應(yīng)預(yù)測(cè)的曲線由萊斯是在良好的協(xié)議與實(shí)驗(yàn)。RANS方法未能預(yù)測(cè)合理的響應(yīng)曲線。電力需求的

31、相誤差之間的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)萊斯和RANS分別是6.18%和9.30%。 相對(duì)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)和混合時(shí)間之間數(shù)值模擬對(duì)于LES和RANS分別為16.93%和9.26%。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　1</b></p&

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