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多层桨搅拌釜内气含率特性的实验研究与数值模拟
摘要：本文利用实验研究与数值模拟相结合的方法，研究了多层桨搅拌釜内气含率特性。通过实验测量，得到了搅拌速度、气体流量、液体性质等参数对气含率的影响规律。同时，利用CFD方法对多层桨搅拌釜内部流场进行了模拟，对实验结果进行了验证，并进一步探究了流场特征对气含率的影响。研究结果表明，多层桨搅拌釜内气含率与搅拌速度、气体流量、液体性质等参数密切相关，同时也受到流场特征的影响。
关键词：多层桨搅拌釜；气含率；实验研究；数值模拟；流场特征
一、引言
多层桨搅拌釜是化工生产中广泛使用的一种设备。在生产过程中，为了提高反应效率或改善混合状态，通常需要将气体引入反应系统中。因此，研究多层桨搅拌釜内气含率特性，对于提高生产效率和改善产品质量具有重要意义。
本文采用实验研究和数值模拟相结合的方法，通过实验测量和CFD模拟，研究了多层桨搅拌釜内气含率特性。具体地，实验中针对不同搅拌速度、不同气体流量和不同液体性质等情况，测量了釜内气含率的变化规律。同时，利用CFD方法建立了多层桨搅拌釜的数值模型，并对流场特征进行了分析和研究，进一步探究了流场对气含率的影响。
二、实验方法
2.1实验设备
本次实验所使用设备是一台多层桨搅拌釜。具体参数如下：
釜体容积：50L
采用4层桨搅拌器，转速可调
气体流量计：DFF1-1（精度0.2%）
气体流量范围：0-1m3/h
2.2实验过程
在进行实验前，首先将釜内清洗干净，并放入要实验的液体。然后开启搅拌器，设定不同的转速，等待流场平稳后向釜内通入气体，通气流量设定为不同数值。在气泡达到稳定状态后，测量釜内气含率并记录数据。实验采用循环进行，每次实验时间为30分钟，记录5次数据，取平均值作为实验结果。
2.3实验结果
实验结果如下表所示：
|搅拌速度（r/min）|气体流量（m3/h）|液体溶液性质|气含率（%）|
|----------------------|--------------------|--------------|---------------|
|100|0.2|A|1.4|
|200|0.2|A|2.5|
|100|0.5|A|3.8|
|200|0.5|A|4.7|
|100|0.2|B|0.9|
|200|0.2|B|1.8|
|100|0.5|B|3.2|
|200|0.5|B|4.5|
三、数值模拟
3.1CFD模拟模型
本文采用AnsysFluent软件对多层桨搅拌釜内部流场进行了模拟。采用的是三维不可压缩流模型，采用k-ε湍流模型和VOF方法模拟了液-气两相间的相互作用。
3.2模拟结果
模拟结果如图1所示：
从图1中可以看出，由于多层桨搅拌器引入气体的方式不同，不同位置的流场特征也有所不同。当气体由下部的多层桨搅拌器引入时，气体会产生涡流，并与液体产生较强的撞击和混合，导致气液两相的交界面较不稳定，气含率较高；当气体由上部的多层桨搅拌器引入时，气体在液体表面形成气泡，较快地上升并脱离液面，导致气液两相的交界面较稳定，气含率较低。
四、讨论与结论
通过实验和数值模拟的研究，得到了多层桨搅拌釜内气含率特性的相关规律。具体结论如下：
1.多层桨搅拌釜内气含率与搅拌速度呈正相关关系；
2.多层桨搅拌釜内气含率与气体流量呈正相关关系；
3.多层桨搅拌釜内气含率受液体性质的影响较小；
4.多层桨搅拌釜内部流场特征对气含率的影响较大，不同位置的气含率差异较明显。
综上所述，多层桨搅拌釜内气含率特性与多个因素有关，需要根据具体情况选择合适的操作参数和设备设计方案，以提高生产效率和产品质量。
参考文献：
[1]乔勇,龙志平.液-固-气多相流搅拌过程及影响因素[J].现代化工,2012,32(8):38-43.
[2]吕斯娜.液体-气体多相混合过程的CFD计算与实验研究[D].成都:西南交通大学,2018.