第10卷第5期 2010年10月
过程工程学报
The Chinese Journal of Process Engineering
螺带型叶轮搅拌槽内流场分析与计算
黄娟，鲍杰，戴干策
（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海200237）
Vol.10 No.5 Oct.2010
摘要：采用粒子图像测速与数值计算方法研究了螺带浆流场，选用11种几何结构桨型及5种流变性质的流体(0.3≤ ≤1)，考察了层流流动(Re<100)状态下，桨叶结构、转速及流体假塑性对流型、速度分布及剪切速率分布的影响。计算表明，核心区无量纲旋转角速度（α)随桨叶直径及螺距增大而减小，其值约在0.48~0.89：无量纲切向、轴向及径向速度分别约为0.44~0.47，0.06~0.09及0.04，且前两者随螺距的增大分别呈线性减小及增大.α随流体粘度降低及假塑
性增强而减小，非牛领流体的流速小于牛顿流体：剪切速率随桨叶直径增大及流体假塑性增强而增大. 关键词：生物质加工；螺带浆；粒子图像测速；计算流体力学；流动特征；剪切速率
中图分类号：TQ021.4 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)05-0833-09
流场某些特性的具体分析或许对实际过程更具指导意
螺带桨叶的开发始于20世纪50年代中期，以具有大直径及倾斜叶片的几何结构特点在高粘牛顿及非牛顿流体的混合中表现出优异的性能，在聚合、食品加工等领域获得广泛应用，特别是最近在生物质玉米秸秆淤浆的同步糖化与发酵工艺中获得成功"，由此引发对该类型架叶新的兴趣
早期对螺带浆着重搅拌功耗、混合时间、传热系数的实验研究2-4)，考察几何结构、转速等因素的影响，并建立数据关联式.对螺带叶轮的流体动力学也有过初步研究，如20世纪50年代，Nagata等(3)最早通过实验观察描述了双螺带桨搅拌槽内的主要流型；60年代， Bourme等()指出，螺带桨及壁附近与轴附近核心区有完全不同的流动特征，揭示了流动的复杂性；70年代， Carreau等[7]给出了流变学上不同物系的切向速度、轴向速度分布的某些典型值，总体来说，早期研究经验性强，缺少计算分析，实验设备多数限于很小尺寸(Φ150~200 mm)，关联式有较大分歧
近期计算流体力学(ComputationalFluidDynamics, CFD)方法的发展使螺带或改型螺带性能的计算分析得到加强[8-1)，对流场的认识，特别是流场与混合(功率、时间)的关系较引人关注.但至今文献所给流场信息是零散的，浆叶结构、转速及物系流变性，尤其是流体强假塑性的影响，远未充分揭示
搅择槽中叶轮旋转产生流动，流动是了解叶轮混合、传热性能的基础，同时也是反应器放大的重要依据叶轮流体动力学的重要性不仅可从一般意义上理解，对
义．生物质加工过程中，由于醇的存在，剪切速率就变得非常重要，过高的剪切造成酶分子变形、分子键断裂或分子形态的变种，酶分子手性结构发生变化，导致酶活性降低基至失活(12,13]，因此，考察反应器内的剪切速率分布十分必要，但文献中却较少给出媒带型搅拌槽内的剪切速率，包括剪切速率分布、最大剪切速率及平均剪切速率，
本工作基于生物质加工，以玉米秸秆淤浆糖化发酵反应器的强化、放大设计为目的，以粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry,PIV)与CFD相结合的方法，较为系统、全面地研究螺带叶轮流场
数学模型
2
以粘性流体运动微分方程为计算基础，数学模型包括：
连续性方程：
+(pu)=0,
e
动量方程：
(1)
a(pu+V - (pU 8 U)-V - (-p8+[VU+(VU)1+Su, (2) ar
对于具有旋转运动部件体系模拟，
Sμ=Sa+S
式中，Seor为科氏力，Se为离心力，其数学表达式分别为Sr=-2paxU，Sefg=-pwx(axr)，其中，U为相对于旋
收稿日期：20100810，修圆日期；20100925
基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号：20976051)：国家自然科学基金资助项目(编号：20976051)：中央高校基本科研业务费专
项资金资助项目(编号：WF0913005)
作者篇介：黄姆(1983-)，女，山东省济宁市人，博士研究生，化学工程专业；傲干策，通讯联系人，Tel:021-64252353,E-mail:gcdai@ecust.edu.cn.
万方数据