机械搅拌釜为诸多工业生产过程中的关键设备,其内部流动、传热、传质过程往往会影响到工艺工程的完善程度与经济性。物料属性往往为影响搅拌釜设计与运行的重要影响因素。实际生产过程中,釜内混合物料成分复杂,多为非牛顿流体。非牛顿流体具有复杂的流变特性,其粘度特性与牛顿流体迥然不同,会影响釜内流场过程及传热传质性能,常规设计方法对其适用性差。非牛顿流体性质特殊,且多为不透明流体,采用传统的实验方法对其进行研究具有较大的局限性。本课题采用计算流体力学数值模拟的方法,对搅拌釜内非牛顿流体的流动传热过程进行系统的模拟与分析,并考察流变学参数、桨叶类型、桨叶转速等关键因素对釜内流体流动换热过程的影响作用。另外,还考察了桨叶类型对釜内非牛顿流体物料混合过程的影响特点。论文主要内容如下:1、详细分析了搅拌釜内流动传热特点。分析表明,釜内介质粘度分布与当地剪切速率密切相关,不同区域之间粘度差异明显。非牛顿流体流动传热过程涉及到流动、传热、粘度之间的相互作用。2、对比分析了稠度系数、流变指数对搅拌釜内非牛顿流体流动换热过程的影响。结果表明,稠度系数增加会引起釜内介质粘度的整体增加,但对釜内介质速度、剪切速率分布影响较小。相比较而言,流变指数对釜内介质剪切速率、整体粘度,以及速度分布影响较为明显;流变指数越大,粘度分布趋于均匀,整体粘度亦随之增加。二者增大均会导致盘管外侧对流换热系数的降低、搅拌功率增大。随着稠度系数、流变指数的持续增大,换热系数的变化幅度会逐渐减小;而对于搅拌能耗而言,当流变指数达到一定数值后搅拌功率会大幅度提升。3、其次,考察了桨叶类型对釜内流体流动换热过程的影响。结果表明,最大叶片式桨的混合效果和传热效果最好,六弧叶圆盘涡轮桨次之,六斜叶桨和六斜叶圆盘涡轮桨效果相近且最差。此外最大叶片式桨消耗的搅拌功率是其余三桨的数倍,其次是六弧叶圆盘涡轮桨,其消耗的搅拌功率也是其余两桨的两倍左右,而剩余两桨消耗的搅拌功率数值相近且最低。4、以六弧叶圆盘涡轮桨作为工作桨叶,研究桨叶转速对釜内流动换热过程的影响。结果显示,当桨叶转速较低时,釜内流体流速较低且流体流型较均匀,且只有桨叶混合区的流体粘度较低,当桨叶转速提高至150 RPM时,釜内流体流型变得较为复杂且流体粘度均较低。搅拌功率和盘管外侧对流换热系数均随着桨叶转速的提高而增大,但是前者的增大幅度逐渐减小,后者的增大幅度逐渐增大。5、此外,还研究了桨叶类型对釜内混合过程的影响。结果表明,最大叶片式桨混合效果最好且所需的混合时间最短,六斜叶桨和六斜叶圆盘涡轮桨次之,两桨混合效果相近且混合时间仅相差5 s。六弧叶圆盘涡轮桨的混合效果仅次于最大叶片式桨,但所需的混合时间最长。