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固-液搅拌常见于工业生产和日常生活中,广泛应用于石化、冶金、造纸、制药和食品加工等领域。与单一液相搅拌相比,固-液两相搅拌过程中,固体颗粒间以及固体颗粒与液相流体间的相互作用使得固-液搅拌变得更为复杂。固-液两相间的耦合作用显著影响搅拌槽内的动量传递、质量传递、热量传递与化学反应过程,因此研究搅拌槽内固-液两相流体力学特性具有重要意义。本文分别采用粒子图像测试(Particle Image Velocimetry,PIV)技术和格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)进行实验与数值模拟,在不同工况条件下研究下沉颗粒搅拌槽内连续液相和分散颗粒相的流体力学特性。应用PIV这种基于激光成像原理的流场测量技术于固-液两相搅拌时,文献中固相的体积分率通常被限制在1%以内,这是因为颗粒的存在会阻挡、散射激光,随着固相浓度的增加,这种阻挡、散射现象会愈加明显,从而影响实验拍摄结果的准确性。为在高颗粒体积分率条件下研究搅拌槽内固-液两相流特性,本论文采用苯基硅油作为连续相,对分散相石英玻璃球进行折射率匹配,并在湍流搅拌槽内进行固-液悬浮实验,颗粒体积分率最高可达8%。该研究中球形固体颗粒粒径为8 mm,PIV实验和LBM直接数值模拟的解析率均可将包括颗粒周围与颗粒间流场在内的搅拌槽内整体液相流场解析,首次实现在颗粒尺度上研究搅拌槽内固-液两相间的耦合作用以及固相浓度分布、液相速度和湍流脉动等流体力学特性。结果表明,颗粒会阻碍其周围流体的流动,PIV实验中,随着颗粒体积分率的增加,搅拌槽内液相平均速度、脉动速度和湍流动能均下降。LBM模拟结果在固相浓度分布和液相速度脉动方面与实验结果吻合很好,但随着颗粒体积分率的增加,模拟中液相平均速度未呈现明显的下降趋势。固-液搅拌研究中,流体通常处于层流或湍流状态,但过渡流也常见于搅拌反应器的放大与缩小过程中,因此对过渡流搅拌槽内固-液两相流体力学特征规律的研究同样重要。本论文PIV实验中分别采用蔗糖-氯化钠水溶液和石英玻璃球作为连续相和分散相进行折射率匹配,将过渡流搅拌槽内颗粒体积分率提高至8%。该研究的PIV实验和LBM直接数值模拟同样解析了颗粒周围及颗粒间的液相流场。结果表明,当颗粒体积分率从0%增加至8%时,实验和数值模拟的液相湍流动能最大衰减率分别为39%和21%,液相平均速度最大衰减率分别为12%和3%。实验和数值模拟在固相瞬时分布与平均分布方面吻合良好,桨叶下方和壁面附近处固相浓度较高。本文首次利用高频PIV技术,在最高颗粒体积分率为20%的条件下对搅拌启动过程两相流动特性进行研究,同时将用于处理颗粒-流场间相互作用的“mapping function”模型与有限体积颗粒LBM结合进行数值模拟,并将模拟结果与高频PIV实验数据进行对比分析。该模拟不仅考虑了颗粒自身的体积,也包含了颗粒-流体间的耦合作用。结果表明,数值模拟的搅拌启动过程与实验吻合很好,为进一步加强工业级高固含搅拌反应器数值模拟研究奠定了基础。