不同型式搅拌桨对黄原胶水溶液搅拌效果的CFD数值模拟-QIBEBT-IR.PDF

第 9 卷第 4 期 过 程 工 程 学 报 Vol.9 No.4 2009 年 8 月 The Chinese Journal of Process Engineering Aug. 2009 不同型式搅拌桨对黄原胶水溶液搅拌效果的 CFD 数值模拟 1 1 1 1,2 1 3 1 李 晶 ， 詹晓北 ， 郑志永 ， 齐祥明 ， 蒋 芸 ， 刘天中 ， 刘立明 (1. 江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122 ； 2. 中国海洋大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266003 ；3. 中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 266071) 摘 要：使用 FLUENT®软件对黄原胶溶液在搅拌槽内的流动特征、桨叶搅拌效果和功率消耗进行了数值模拟. 计算 采用多重参考系方法和标准 k−ε湍流方程. 黄原胶浓度为 0∼2.0%(ω) ，桨型为直叶圆盘涡轮、非对称抛物线圆盘涡轮 和四斜叶桨. 结果表明，不同桨型下溶液的粘度分布有较大差异，且搅拌效率随溶液浓度增加急剧下降，转速增加能 有限提高搅拌效率. 径流桨和轴流桨产生的功率消耗随溶液浓度改变呈相反的变化趋势. 在黄原胶浓度 2.0%(ω) 、搅 拌转速 7.5 r/s 时，所有桨型下有效搅拌体积所占比例均低于 60%；与在水中相比，直叶圆盘涡轮的功率消耗降低约 7%，而四斜叶桨的功率消耗增加29%. 关键词：多重参考系；黄原胶；流型；粘度；功率消耗 中图分类号：O359.1; TQ027.3 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)04−0634−07 1 前 言 搅拌设备内的流动参数和搅拌功率消耗进行数值模拟， 考察不同桨型对拟塑性流体的搅拌效果，以期获得相关 拟塑性流体粘度随剪切速率增加而减小，是最常见 的设备设计及优化数据，为实际操作提供指导. 的一种非牛顿流体[1]. 拟塑性流体在食品、医药、生物 技术、化学工业及石油化工等行业应用非常普遍[2]. 但 2 模型描述 不良的流体混合、较低的气液传质速率及底物的不均匀 2.1 实验条件的确立 分布在操作过程中始终存在. 为了消除迟滞区、有效地 (1) 考虑到发酵过程中液体浓度不断变化，选取了 分散气泡并使整体传质和传热达到满意标准，操作过程 7 种不同浓度的溶液，考察各浓度下拟塑性流体的状态 中必须充分搅拌[3,4]. 机械搅拌设备能使物料间分散良 参数. (2) 为保证后续工作中通气操作顺利进行，设备必 [5] [6] 好 ，如相溶(或非相溶)液体、颗粒和气体分散 . 掌握 须具有良好的气液传质和分散效果. 选择能提供较大剪 流体的流动、混合特性是选择操作方式和设备设计、放 切速率的直叶圆盘涡轮桨、非对称抛物线圆盘涡轮桨及 大的关键[7]. 但对非牛顿流体流动参数测量仍然缺少高 四斜叶桨[1]. 效的方法. 目前还无法得出对非牛顿流体通用的设计关 设备外形见图 1. 槽体直径 T 256 mm，装液高度 [8] 联式 . H 330 mm，标准椭圆形封底；平均分布4 块挡板，挡 对于不能或不便于实验测定的装置与设备，计算流