2材料与方法

2.1搅拌槽的几何形状

在这项工作中使用的油箱几何形状是一个平底圆柱形油箱，T=H=0.19m，四个等宽的宽度w=T/10的Per-spex挡板彼此相距90°。圆柱形容器放在方形容器内，容器的前面板是透明的，可以实现无变形的速度测量。该罐充满纯水并连接到泵和加热元件以将圆柱形罐中的工作流体加热到特定温度。圆柱形储罐配备了一个下抽式LightninA320轴流式叶轮（D=T/2），这是一种宽叶片水翼叶轮，推荐用于较高粘度应用和低雷诺数。叶轮安装在一根轴上，s=0.008米，延伸到船底。叶轮间隙为C=T/3，其中C定义为从容器底部到叶轮扫过的最低水平面的距离。

2.2操作条件

选择操作条件以获得三个不同雷诺数等于340,980和3000的两个实验数据集。为此，流体粘度和叶轮速度N都是变化的。为了改变流体粘度，在不同温度下使用不同浓度的甘油水溶液。用AR2000流变仪（TAInstruments）进行温度控制，粘度测量；用DMA38密度计（AntonPaar）测量密度，其中温度由帕尔帖电阻控制。注意保持轴向叶轮叶尖速度（ND）在推荐范围1-5ms-1。表1显示了所研究的六种不同情况的操作条件。

表1：不同情况下的的操作条件

2.3粒子图像速度测量

使用PIV进行全场二维，二分量速度测量，其包括几乎整个罐的高度（除了在碟形底部中）。PIV由双脉冲Nd：YAG激光器（532nm，2×120mJ，Nanopiv-Litron激光器）组成。使用罗丹明掺杂的聚合物颗粒（dp=10-30mm）（microParticlesGmbH，德国）播种液体。使用分辨率为4032×2688像素2的黑白CCD照相机（ImagerProPlus）和高通滤波器记录两个挡板中间的平面内流动的瞬时图像。图像对以9Hz的速率拍摄，并且对于每种情况记录了1000个瞬时速度场。这些图像使用DaVis软件（德国LaVision）处理。使用具有50％重叠的减小的询问窗口大小（从64×64像素2至32×32像素2）和使用快速傅里叶变换（FFT）的标准互相关来确定对应的空间平均位移矢量。空间分辨率为1.5毫米。

2.4 CFD模拟

用CFD软件ANSYSCFX(V18.1)对Re=340的两种情况进行了瞬时、层流模拟。利用ANSYS空间定位系统，将SPXFLOW提供的A320型叶轮的CAD模型进行了反特征分析，并将其纳入模型。然后用三种不同的网孔密度（包括1.01,2.07和6.46百万个网孔）产生四面体网格，在壁上有5层膨胀。所有呈现的仿真结果都使用最好的网格（详见后面）。用对流项的高分辨率差分耦合求解器和时间导数的二阶向后欧拉方案求解方程。当归一化RMS残差降至10-5以下时，任何时间步骤的解决方案都被认为已经收敛。

最初，使用FrozenRotor模型运行稳态模拟，该模型假定叶片和挡板的固定相对位置，以产生起始流量并研究网格依赖性。在此之后，使用瞬态转子定子接口模型的移动网格方法和每个时间步长2°的叶片位移运行瞬态模拟。在两种情况下，模拟都继续进行超过200次的叶轮旋转。在这些时候，观察到叶片上扭矩的准周期性行为。只有在建立准周期行为后才生成的数据用于流量分析。速度数据每隔0.022s（45Hz采样频率）在挡板中间的垂直平面上输出，这是实验中使用的5倍（9Hz）。高采样频率允许以9Hz或45Hz分析数字数据，从而允许研究采样频率对结果的影响。然而，在这两种情况下，用于分析的数据字段的数量跨越62个叶轮转数，这比检测到的流动结构的周期长得多。

2.4.1计算设置和网格

图1（a）显示了几何形状以及旋转区域（灰色）和采样平面（红色）的位置。垂直采样平面位于两个挡板之间的中间位置，并从轴延伸至油箱壁。这张图还显示了646万个

图1-几何（a）和网格（b）用于带有A320叶轮的完全挡板平底罐的模拟。（为了解释文中颜色的引用，读者可参考本文的网页版。）