基于计算流体力学的聚氨酯低压混合器数值模
聚氨酯低压混合器是聚氨酯保温板中试线上的核心设备，在无卤阻燃聚氨酯保温板生产过程中起着至关重要的作用。由于实际生产过程中，混合器内流体流动为物料A、物料B与无卤阻燃剂固体粉末混合的多相流，其流体力学行为将直接影响传质和化学反应。混合器内物料是否充分混合均匀直接影响着聚氨酯保温板的优异性能。但是，由于设备尺寸较小(直径60mm)、固体颗粒(无卤阻燃剂)存在、混合器内离壁间隙仅为1mm且颗粒体积分数较大，混合器内流场测试方法研究困难重重，基于此，研究工作者往往只能通过经验关系式和相应的工程经验对混合器进行设计和优化，从而导致混合器性能难以达到实际生产要求。近些年来，科研工作者在工业设备设计中流体力学研究中引入了计算流体力学(CFD)方法,但对聚氨酯低压混合器内多相流体流动进行数值模拟研究,目前还鲜有报导。本文以聚氨酯低压混合器为研究对象，采用CFD方法研究混合器内单相、多相流场分布情况，本论文研究结果将为聚氨酯低压混合器的设计和优化提供理论指导。 论文主要开展了以下几方面的研究工作。 第一，使用商业计算流体力学软件Fluent，以聚氨酯低压混合器为研究对象，将雷诺平均N-S控制方程与标准k-ε湍流模型相结合，对混合器内单相流场进行数值模拟研究。模拟结果表明，当采用网格数量为318412的网格模型进行计算时，为计算域最合理的网格划分方式，计算结果准确且易收敛，混合器内混合段速度呈现出明显的规律性波动变化，有利于物料的混合，混合器内无明显死区；物料在1.5倍混合头直径以下位置的混合效果良好，低压混合头长度设计合理。 第二，采用标准湍流模型和标准壁面函数，开启组分输运方程，不开启反应方程，对混合器内非稳态组分输运过程进行三维数值模拟。结果表明，混合器内流体流动状况良好，无明显死区，混合器内组分输运过程混合时间为30s；考察不同混合头结构参数对混合器内组分输运过程的影响，当叶片层数为8、周向叶片数为8、叶片倾斜角为15°时，混合器的混合效果最好。为验证模拟的可靠性，对混合器内组分输运过程进行实验验证。结果显示，模拟结果与实验数据具有较高的吻合度，最大相对误差低于5%，这表明利用CFD模型对低压混合器内组分输运过程进行模拟或预测是可行的、有效的。 第三，采用欧拉-欧拉多相流模型、RNG k-εmixture湍流模型、标准壁面函数、Gidaspow模型对聚氨酯低压混合器内液固两相流进行三维数值模拟，同时对混合头叶片尖端所受压力进行预测。结果表明，当颗粒粒径lt;0.1mm，颗粒浓度lt;0.1，流体粘度lt;0.1Pa·s时混合器内颗粒流动性较好，并无明显死区；而随着颗粒粒径、颗粒浓度、流体粘度的增加，混合头周向叶片间出现颗粒低速区，其范围并不断扩大；然而提高转速并不能有效的消除颗粒低速区。混合头有圆角处理和无圆角处理的混合时间分别为60s和75s，。且在流体粘度较高、颗粒粒径较大、混合物料进口颗粒体积分数较大的情况下，有圆角处理的混合头能有效地消除颗粒低速区，实现物料的充分混合。对不同颗粒粒径、颗粒体积分数、流体粘度、混合头转速工况下混合头叶片尖端所受压力进行拟合分析，叶片尖端所受压力拟合公式中的确定系数均大于0.99，拟合效果较好，能反应混合器内不同工况下叶片尖端所受压力情况，对混合头的冲蚀磨损以及新型混合头的设计与研究具有一定的参考价值。
聚氨酯低压混合器;多相流体;计算流体力学;数值模拟
上海应用技术大学
硕士
化学工程
王宇红
2016
中文
TQ323.8;TQ320.5
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）