臺灣博碩士論文加值系統

本研究目的為利用計算機流體力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 模擬內部蛇管與外部蛇管對攪拌槽中熱傳係數的影響，而內部蛇管又分為蛇管底部與攪拌翼等高及蛇管底部與槽底持平。其中使用A310與3-Pitched Blade Turbine (3-PBT) 兩種軸向型攪拌翼作比較，亦會在模擬中置入第二段攪拌翼於第一段攪拌翼上方，探討若內部蛇管至底，是否影響軸向型攪拌翼所形成之流場，且探討熱傳係數因流場而產生的變化。
本研究使用CFD軟體為Ansys-Fluent ver 16.2，此研究為單相攪拌，使用紊流模型為Realizable k-Ɛ model。
研究結果顯示，一段攪拌翼下，內部蛇管確實影響攪拌槽內流場，外部蛇管不干擾攪拌槽中之攪拌，良好攪拌下熱傳係數較高，而於兩段攪拌翼時，其熱傳係數非常相近。

The purpose of this study is to simulate the influence of the position of the internal coil and the external coil on the heat transfer coefficient in the stirred tank by Computational Fluid Dynamics, CFD. There are two kinds of the internal coil. The first one is the bottom of the coil leveling to the impeller, and the second one is bottom level to the bottom of the tank. In this research we use two kinds of impeller. One is A310, the other one is 3-Pitched Blade Turbine (3-PBT). Also the second impeller is loaded above the first impeller to explore the second case. The results show that it will affect the flow field and the heat transfer coefficient.
The CFD software used in this study was Ansys-Fluent ver 16.2. This study was single-phase agitation and the turbulence model was Realizable k-Ɛ model. The results show that the heat transfer coefficient of using the external coil is larger than using the internal coil. The heat transfer coefficient is very similar whether using the one-stage impeller or using the two-stage impeller.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
致謝 iii
中文摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 2
2.1攪拌系統流體熱傳機制 2
2.2 熱傳文獻 5
第三章 模擬方法與條件 18
3.1計算機流體力學 18
3.2 計算機流體力學流程之架構 18
3.2.1 前處理系統(pre-processing) 19
3.2.2 求解計算(solve) 19
3.2.3後處理(Post-processing) 19
3.3數值方法 19
3.3.2 統御方程式 20
3.3.3 紊流模型 20
3.4 攪拌槽規格及操作條件 22
3.4.1 攪拌翼簡介 22
3.4.2 攪拌槽結構 23
第四章 結果與討論 28
4.1 攪拌系統驗證 28
4.1.1 功率數 28
4.1.2 總熱量 31
4.2 單段攪拌翼 33
4.2.1流場分析 33
4.2.2速度與紊流強度 36
4.2.3溫度分佈 40
4.2.4熱傳係數 50
4.3 雙段攪拌翼 55
4.3.1 流場分析 55
4.3.2速度與紊流強度 58
4.3.3 溫度分佈 62
4.3.4 熱傳係數 71
4.4 一段攪拌翼與兩段攪拌翼比較 74
第五章 結論 83
第六章 文獻回顧 86
符號說明 88

 
圖目錄
圖2.1 (a)襯套 (b)內部蛇管 (c)檔板蛇管 (d)外加熱交換器 (e)直火加熱 4
圖2.1 (a) 夾套熱傳速率與氣體流動速率關係[8] 8
(b) 蛇管熱傳速率與氣體流動速率關係[8] 8
圖2.2 (a) 夾套中兩相熱傳速率與單相熱傳速率比值與氣體流動速率關係[8] 8
(b) 蛇管中兩相熱傳速率與單相熱傳速率比值與氣體流動速率關係[8] 8
圖2.3 攪拌槽中夾套與內部蛇管的速度等位圖[9] 9
圖2.4 攪拌槽中夾套於 (a) 1.2s (b) 2.7s (c) 4.8s (d) 6.3s時的溫度等位圖[9] 10
圖2.5 攪拌槽中內部蛇管於 (a) 1.2s (b) 2.7s (c) 4.8s (d) 6.3s時的溫度等位圖[9] 10
圖2.6(a) Oldshue & Gretton（1954）設計所形成之流場 11
(b) Pedrosa et al. 設計所形成之流場[10] 11
圖2.7 不同網格下，軸向、切線方向平均速率及紊流能量比較[11] 13
圖2.8 在不同模型下，與槽壁不同距離的紊流強度變化[11] 14
圖2.9 不同模型下熱傳係數得比較[11] 14
圖2.10 兩種攪拌翼的Nusselt Number比較[12] 15
圖2.11 槽體剖面的溫度分佈[12] 16
圖3.1 計算機流體力學流程之架構 18
圖3.2 攪拌翼示意圖 22
圖3.3內部蛇管A型結構示意圖 23
圖3.5一段外部蛇管結構示意圖 23
圖3.7兩段外置型結構示意圖 24
圖4.1 A310攪拌翼於不同蛇管位置之轉速與功率數關係 29
圖4.2 3-PBT攪拌翼於不同蛇管位置之轉速與功率數關係 30
圖4.3 A310攪拌翼於外部蛇管之功率與時間關係 31
圖4.4 3-PBT攪拌翼於外部蛇管之功率與時間關係 32
圖4.5 A310不同蛇管位置的流場 34
圖4.6 一段3-PBT不同蛇管位置流場 35
圖4.7 兩種一段攪拌翼於不同蛇管位置200秒時速度等位圖 37
圖4.8兩種一段攪拌翼於不同蛇管位置200秒時紊流強度等位圖 39
圖4.9 一段攪拌翼於200秒時等溫線分布圖 42
圖4.10一段A310內部蛇管A型於200秒時三個不同高度等溫線分布圖 43
圖4.11 一段A310內部蛇管B型於200秒時三個不同高度等溫線分布圖 44
圖4.12 一段A310外部蛇管於200秒時三種不同高度等溫線分布圖 45
圖4.13 一段3-PBT內部蛇管A型於200秒時三個不同高度等溫線分布 46
圖4.14 一段3-PBT內部蛇管B型於200秒時三個不同高度等溫線分布 47
圖4.15 一段3-PBT外部蛇管於200秒時三種不同高度等溫線分布圖 48
圖4.16 A310於三個不同蛇管位置的熱傳系數與雷諾數關係 52
圖4.17 3-PBT於三個不同蛇管位置的熱傳系數與雷諾數關係 52
圖4.18 一段A310不同蛇管位置的單位體積功率消耗對熱傳係數作圖 54
圖4.19 一段3-PBT不同蛇管位置的單位體積功率消耗對熱傳係數作圖 54
圖4.20 兩段A310攪拌翼不同蛇管位置的流場 56
圖4.21 兩段3-PBT攪拌翼不同蛇管位置的流場 57
圖4.22 不同蛇管位置、不同攪拌翼於200秒時速度等位圖 59
圖4.23 不同蛇管位置、不同攪拌翼於200秒時紊流強度圖 61
圖4.24 不同蛇管位置、不同攪拌翼等溫線圖 64
圖4.25 兩段A310內部蛇管A型於200秒時三個不同高度等溫線圖 65
圖4.26 兩段A310內部蛇管B型於200秒時三個不同高度等溫線圖 66
圖4.27 兩段A310外部蛇管於200秒時三個不同高度等溫線圖 67
圖4.28 兩段3-PBT內部蛇管A型於200秒時三個不同高度等溫線圖 68
圖4.29 兩段3-PBT內部蛇管B型於200秒時三個不同高度等溫線圖 69
圖4.30 兩段3-PBT外部蛇管於200秒時三個不同高度等溫線圖 70
圖4.31兩段A310於三個不同蛇管位置的熱傳系數與雷諾數關係 72
圖4.32兩段3-PBT於三個不同蛇管位置的熱傳系數與雷諾數關係 72
圖4.33兩段A310不同蛇管位置單位體積功率消耗與熱傳係數作圖 73
圖4.34兩段3-PBTA310不同蛇管位置單位體積功率消耗與熱傳係數作圖 73
圖4.35 一段與二段A310於內部蛇管A的功率消耗與熱傳係數圖 77
圖4.36 一段與二段A310於內部蛇管A的功率消耗、熱傳係數圖與轉速作圖 77
圖4.37 一段與二段A310於內部蛇管B的功率消耗與熱傳係數圖 78
圖4.38 一段與二段A310於內部蛇管B的功率消耗、熱傳係數圖與轉速作圖 78
圖4.39 一段與二段A310於外部蛇管的功率消耗與熱傳係數圖 79
圖4.40 一段與二段A310於外部蛇管的功率消耗、熱傳係數圖與轉速作圖 79
圖4.41 一段與二段3-PBT於內部蛇管A的功率消耗與熱傳係數圖 80
圖4.42 一段與二段3-PBT於內部蛇管A的功率消耗、熱傳係數圖與轉速作圖 80
圖4.43 一段與二段3-PBT於內部蛇管B的功率消耗與熱傳係數圖 81
圖4.44 一段與二段3-PBT於內部蛇管B的功率消耗、熱傳係數圖與轉速作圖 81
圖4.45 一段與二段3-PBT於外部蛇管的功率消耗與熱傳係數圖 82
圖4.46 一段與二段3-PBT於外部蛇管的功率消耗、熱傳係數圖與轉速作圖 82

 
表目錄
表2.1攪拌槽規格 6
表2.2攪拌槽中蛇管之熱傳係數 7
表2.3 Oldshue & Gretton與 Pedrosa et al.熱傳係數之比較[10] 12
表2.4 學者所使用的攪拌翼與CFD軟體及model 17
表3.1 攪拌槽中流態類型比較 21
表3.2攪拌槽規格 24
表3.3操作條件 25
表3.4 模擬設定 25
軟體 25
ANSYS – Fluent 16.2 25
求解器 25
Pressure-based Sover 25
能量 25
energy equation : on 25
紊流模式 25
Realizable k-ε model 25
演算法 25
SIMPLE 25
表3.5偏斜度與網格品質對照表 26
表3.6攪拌系統之網格詳細資料 27
表4.1 於200秒時攪拌槽內平均溫度 49
表4.2 一段與兩段攪拌翼於不同蛇管位置時溫度與熱傳係數的比較 75

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