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由于具有良好的轴流性能,斜叶桨常用于涉及固体悬浮操作的各种搅拌反应器中。但斜叶桨的几何结构复杂,桨叶面与坐标轴斜交,对其进行数值模拟难度较大,现有计算方法在数值模拟过程中存在种种不足。本文尝试采用镜像流体方法处理斜叶桨,其基本思想是利用固体区域内的假想流体与真实流体区域关于界面的镜像关系,在固定的欧拉坐标系中求解流体运动方程;固体所占区域中的格点上的流体力学参数由镜像关系指定,从而使相界面无滑移边界条件得到隐含满足。固体区域的虚拟流场应与外部真实流体流场的速度矢量关于界面反对称,压力场则镜面对称。镜像流体方法具有物理意义明确、处理方式简洁的优点,是一种新的处理液固两相流动的计算流体力学方法。
本文数值模拟了无挡板圆柱形椭球底搅拌槽内液固两相搅拌运动,将镜像流体方法处理的对象扩展到三维湍流问题。搅拌槽物理模型上部为圆柱形,底部为椭球形;搅拌槽直径T=0.3 m,高度H=0.4 m,壁面上无档板;搅拌桨为三叶斜叶桨,桨叶与水平方向成70度角,直径D=0.16 m;搅拌桨中心平面与搅拌槽底面的距离为:0=0.186 m;底部椭球长轴为0.15 m,短轴为0.12 m。模拟研究了不同转速条件、桨叶位置等条件下搅拌槽内的速度及相含率分布。得到的模拟结果与实验结果较为接近,证明了镜像流体法处理斜叶桨和椭球底面的有效性,提供了轴流桨搅拌反应器数值模拟的新途径。