搅拌槽内颗粒聚集的机理、调控和数值模拟研究

Solid particles can spontaneously cluster in some region of a stirred tank at specific operation conditions. This phenomenon is bad for industrial production because of the poor heat or mass transfer between two phases. On the other hand, it is good for solid-liquid separation. Therefore, particle clustering mechanism is urgent to know and new methods are needed to promote or eliminate the particle clustering in industrial reactors. In order to solve this problem, mathematical modeling and numerical simulation are employed in this project. Based on the particle clustering mechanisms, multiphase flow and mixing in stirred tanks are simulated. Firstly, direct numerical simulation is adopted to investigate the laminar isolated region and analyze the forces exerted on particles. The mechanism of particle clustering can be obtained and the particle-scale criterion is proposed. Then the interphase forces are studied and the overall coefficient models of unsteady drag force are developed. Finally, the multiphase models and numerical methods coupling particle dynamics are established to predict the particle movement and clustering in industrial reactors under various conditions. The reactor-scale criterion and manipulation rules of particle clustering in stirred reactors can be formulated, which lay the foundation for optimization, manipulation and scale-up of industrial reactors.

搅拌槽内固体颗粒在一定条件下会自发聚集在槽内某些区域，一方面影响两相传递和反应过程，对生产不利，另一方面颗粒聚集有利于固液两相分离过程，因此在工业生产当中急需认识反应器内颗粒聚集的机理，并开发调控颗粒聚集的方法和技术。为解决上述问题，本项目采用数学模型方法与数值模拟技术，围绕“搅拌槽内颗粒聚集的机理与调控”这一关键科学问题，对搅拌槽内多相流动进行模拟研究。首先采用直接数值模拟方法，研究搅拌槽内隔离区以及多相流中颗粒受力解析，认识搅拌槽内颗粒聚集的机理，提出颗粒尺度颗粒聚集的判据。在此基础上研究搅拌槽内相间作用力模型并建立非稳态的总曳力系数模型，形成耦合颗粒运动机理的搅拌槽多相流模型和模拟方法。利用数值模拟方法预测不同条件下的颗粒运动与聚集行为，归纳出反应器尺度上颗粒聚集的判据和调控规律，为工业反应器的操作优化和设计放大提供理论基础。

化工反应器中广泛存在固液两相流动。在层流搅拌槽中，搅拌桨的桨叶上下方会各出现一个环状的独立混合区（IMR），当固体颗粒存在时，颗粒会在一定条件下自发聚集。这种颗粒分散不均一方面会影响两相传递过程，但是却有利于两相分离。因此，研究搅拌反应器内颗粒聚集行为和机理对于固液反应器设计和放大具有重要的意义。本研究以颗粒聚集机理为核心，首先对层流搅拌槽的独立混合区开展研究，建立了搅拌槽直接数值模拟方法，开发了改进的聚类算法准确识别层流搅拌槽的独立混合区，获得了隔离区位置、大小和形状的影响规律，从单相流动角度解释颗粒聚集行为。在此基础上开发了固液和气液体系的直接数值模拟方法，研究了搅拌槽内颗粒运动行为，考察了颗粒初始位置、颗粒密度和直径等对颗粒运动的影响。基于直接数值模拟获得的数据对固液两相相间作用力如曳力和压力梯度力进行解析，分析欧拉两流体模型方程，提出了考虑固液密度比和局部湍动能影响的新曳力模型。利用气液直接数值模拟获得的数据分析了湍流模型方程，获得了湍流附加项并关联了湍流模型参数。最后，对层流搅拌槽颗粒聚集进行实验研究，获得了一元颗粒的聚集条件，包括颗粒含量、颗粒密度、颗粒直径和雷诺数的影响规律，探究了二元颗粒的聚集行为。同时基于数值模拟计算，分析颗粒聚集机理和规律。上述研究所建立的直接数值模拟方法以及曳力模型等多相流模型可以推广用于其他多相体系，获得的搅拌槽颗粒运动规律和聚集机理也为工业多相反应器的设计放大提供理论基础。