基于EMMS模型的CFD-pBM方法模拟液-液流动体系

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转子-定子搅拌器被广泛应用在混合、多分散和乳化体系以获得所需的离散相粒径分布。离散相粒径分布是影响产品功能和质量的重要标准之一,通过优化设备结构和流动过程达到精确控制离散相粒径分布是工业上亟待解决的问题。近年来,越来越多的研究者用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)耦合群平衡模型(Population Balance Model,PBM)来模拟转子-定子体系的复杂湍流和离散相粒径分布。由于现阶段研究尚未对聚并或破碎过程有透彻的物理背景认识,所以现有的PBM破碎和聚并模型大多是统计模型、现象模型或者经验关联式。我们用CFD-PBM方法模拟了无离散相聚并的Megatron3-48转子-定子体系。通过对流场中湍动能耗散率的定量分析,结合理论推测出了系统中离散相破碎主要的场所;而模拟的出口离散相粒径分布与实验结果相比,基于液液搅拌槽体系的Alopaeus破碎速率模型严重低估了离散相的破碎速率。我们以能量最小多尺度(Energy Minimization Multi-Scale,EMMS)理论为指导,基于气液鼓泡塔体系的EMMS-PBM方法,提出了适用于液液体系的破碎或聚并速率的修正方法。该方法通过将系统能耗进行多尺度解析,利用介尺度能耗作为EMMS和PBM的结合点导出破碎速率的修正因子。经过EMMS-PBM方法的修正,模拟出的离散相粒径分布能够更好地符合实验数据,极大地改进了Alopaeus模型在转子-定子体系中对破碎的预测能力,表明EMMS-PBM方法具有良好的应用前景。
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