基于計算流體力學和多目標遺傳算法的氣液攪拌反應(yīng)器模擬與優(yōu)化.pdf

1、氣液攪拌反應(yīng)器因具有操作靈活性強、傳質(zhì)效果好、混合效率高等優(yōu)點在過程工業(yè)中廣泛應(yīng)用。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)是影響內(nèi)部物料流動、混合、傳質(zhì)及反應(yīng)的重要因素，對氣液攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化意義重大。早期對氣液攪拌釜的優(yōu)化研究依賴于實驗手段，測量方法受限，需反復試驗，太過耗時且成本較高。隨著計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)的發(fā)展，能快速而相對準確地獲取反應(yīng)器內(nèi)部詳細的流場信息。然而基于CFD的優(yōu)化過程通常

2、只考慮單參數(shù)變化，涉及多個參數(shù)則需要通過大量的模擬才能篩選出較優(yōu)結(jié)果，加上多相體系固有的復雜性，導致計算量巨大且只能得到局部最優(yōu)解。
　　多目標遺傳算法(multi-objective evolutionary algorithm，MOEA)具有全局優(yōu)化、并行搜索、快速收斂等特點。本文針對上述問題，提出了將CFD技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合的解決方法。以雙層槳氣液攪拌反應(yīng)器為例進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，驗證了該方法的可行性和有效性。主要工作與研究結(jié)果

3、如下:
　　(1)基于實驗與CFD分析，建立了一種適用于氣液攪拌反應(yīng)器設(shè)計的多目標優(yōu)化方法。借助雙電導電極探針和扭矩測量等實驗技術(shù)驗證CFD模型，并在MATLAB平臺上整合CFD分析模塊和優(yōu)化算法模塊，引入?yún)?shù)化建模和自動網(wǎng)格生成技術(shù)，利用CFD模擬獲取反應(yīng)器內(nèi)部流場信息，以此指導快速非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm，NSGA-Ⅱ)在龐大的求解空間中高效并行尋優(yōu)。通

4、過創(chuàng)建模塊接口，實現(xiàn)全自動優(yōu)化過程，可以顯著地減少計算量，獲取全局最優(yōu)解。
　　(2)在轉(zhuǎn)速300 rpm，表觀氣速0.02 m/s的空氣-水體系中，采用均一氣泡尺寸假設(shè)，將多目標優(yōu)化方法應(yīng)用于雙層槳氣液攪拌釜的優(yōu)化，從而實現(xiàn)節(jié)能和良好的氣體分散。首先建立以槳葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，以最大氣含率和最小攪拌功率為目標函數(shù)的優(yōu)化命題，利用CFD和NSGA-Ⅱ算法耦合求解，得到了PCBDT-PTD（下層斜凹葉圓盤渦輪槳-上層下壓斜葉槳）優(yōu)

5、化槳組合。隨后探討了槳組合類型和設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)上層槳為上翻斜葉槳(PTU)時氣體分布效果較差，為PTD時氣體分散性能最好，隨著槳葉傾斜角度增大，氣體分布更均勻，攪拌功率先增加，待傾角大于90°后逐漸減小;下層槳為凹葉槳時載氣性能良好，凹葉片的長徑比增大，載氣性能提高，而葉片切角越大，攪拌功率越低。最后考察了優(yōu)化結(jié)果的可靠性，測得優(yōu)化槳組合的氣含率較高且沿軸向均勻分布，明顯改善了兩槳之間的氣體分散狀況。優(yōu)化后能耗大幅降低，

6、較標準的RT-RT（雙層六直葉圓盤渦輪槳）組合至少降低了25％。
　　(3)針對反應(yīng)器內(nèi)部氣泡大小分布不均的問題，引入了關(guān)聯(lián)湍流耗散率與氣泡直徑的氣泡尺寸模型，在模型驗證的基礎(chǔ)上，對雙層槳氣液攪拌反應(yīng)器進行多目標優(yōu)化。首先以槳葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，以最大氣液比相界面積和最小攪拌功率為目標建立優(yōu)化命題，得到了PCBDT-PTU（斜凹葉圓盤渦輪槳-上翻斜葉槳）和PCBDT-PTD（斜凹葉圓盤渦輪槳-下壓斜葉槳）兩種優(yōu)化槳組合。然后利用

7、不同槳型揭示了反應(yīng)器內(nèi)部氣泡尺寸分布規(guī)律，闡明了槳組合類型對目標函數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，葉輪區(qū)的氣泡尺寸沿著排出流方向先變小后逐漸變大，在循環(huán)區(qū)和液面附近氣泡相對較大。此外，PCBDT-PTU優(yōu)化槳組合的局部相界面積峰值最高，而PCBDT-PTD優(yōu)化槳組合的相界面積分布最均勻，均能在低功耗下實現(xiàn)高效傳質(zhì)。最后，驗證了優(yōu)化結(jié)果的準確性，實驗測得PCBDT-PTU優(yōu)化槳組合的氧傳質(zhì)系數(shù)接近RT-RT標準槳組合的兩倍，能耗較RT-RT降低了29