射流循环DTB结晶器的水力学模拟与实验

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射流技术广泛应用于混合和传动过程,用射流实现DTB结晶器内搅拌桨轴向推进功能,可有效降低由搅拌桨和晶体碰撞引起的二次成核,提高产品粒度。本文通过模拟,优化以及实验,研究了DTB结晶器导流筒的结构和流场,为射流循环DTB结晶器设计和优化提供指导。具体的研究内容如下:采用RNG k-ε湍流模型对直导流筒射流DTB结晶器的单相流流场进行了数值模拟,选取最优导流筒筒径,并利用欧拉多相流模型对该结构下的结晶器进行模拟分析。结果表明,导流筒内射流满足线性扩展,轴向速度分布基本满足高斯分布。刚进入导流简内的射流主体段,轴线速度倒数与流程呈良好的线性关系,随射流发展,轴线速度加速衰减。在喷嘴入口直径恒定时,循环速率比(γγ)随导流筒挡板间环隙面积与导流筒横截面积比(β)的增加呈先增大再减小的趋势,存在最优值。直导流筒为最优直径时,射流DTB结晶器中导流筒内颗粒浓度分布沿径向方向减小,其循环速率比较单相流模拟结果略低,但基本可实现颗粒浓度较为均匀的分布,满足DTB结晶器的水力学要求。参照射流泵结构对结晶器导流筒进行优化,利用RNGk-ε湍流模型模拟了不同结晶器内的流场,分析不同导流筒结构下射流DTB结晶器内流体流动;利用组分输运模型对结晶器有效区域进行阶跃示踪法实验,考察其混合特性;利用滑移网格法模拟常规DTB结晶器内的流动性质,并与射流DTB结晶器的流场和能耗进行对比;利用欧拉多相流模型模拟不同导流筒结构的射流DTB结晶器的颗粒浓度场,对比颗粒浓度分布。结果表明,参照射流泵结构优化的导流筒提高了内循环量,本例中较直导流筒最高提升23%,同时对结晶器内的混合有一定的促进作用。同时,相同内循环流量下,射流泵DTB结晶器与常规DTB结晶器相比,单位体积能耗稍小。射流循环可较好的实现DTB结晶器内颗粒悬浮,且相比于其它射流DTB结晶器,结构优化的射流泵DTB结晶器颗粒分布更加均匀,颗粒相的内循环量更高。因此射流泵导流筒的优化,不仅使射流方案满足DTB结晶器溶液充分混合、颗粒均匀悬浮的水力学要求,在能耗上较常规DTB结晶器也有一定优势。利用粒子图像测速法(PIV)考察不同搅拌位置与转速下常规DTB结晶器的流场,以及不同喷嘴直径与外循环流量下射流DTB结晶器的流场,并与数值模拟结果对比。结果表明,RNGk-ε湍流模型可较为准确有效的模拟常规DTB结晶器与射流DTB结晶器内的流场。
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