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模型校核 / 计算方法 2026-10 · 方法与校核

模型校核与适用范围

L1 的即时估算用于量级判断与方案筛选,L3 的 CFD 用于定量结论。这一页把每个输出量的关联式出处、我们做过的三层可复现校核,以及这个模型不适用的场合一次说清,让你知道结论能信到什么程度、什么时候必须往下走一步。

先说结论

这是一个量级模型,不是 CFD。功率、P/V、混合时间 θ95 与剪切率都由桨型经验关联式算出,用途是比较不同桨型、转速与装液量之间的相对差异,以及判断工况是否落在工艺窗口内。它不预测流场,不给死区位置,也不能替代 CFD 报告。

功率类结果的绝对精度取决于所用的 Np 取值。文献与厂商对同一桨型的报道值本身存在分散(几何细节不同),因此请按量级理解,用作方案筛选,不要作为验收依据。

三层可复现校核

下面三项校核都可以重跑。校核脚本与页面同源,不依赖云端服务,也不需要人为挑选数据点。

校核 1 · 装液体积:解析式 vs 数值积分可重跑

装液体积是 P/V、单位质量功率 ε、剪切率 G 与混合时间 θ95 的共同分母,算错会一路传导到每一个派生量。本页把它从数值积分改为逐封头解析式,并以步长无关的数值积分做参照。

校核项内容
抽样组合3 个罐径(2000 / 3000 / 4000 mm)× 5 种封头(平底 / 碟形 / 2:1 椭圆 / 半球 / 90° 锥底)× 5 个充液分位(封头高度的 5% / 25% / 50% / 75% / 100%),共 51 组
参照实现对真实母线沿竖直方向做 2 000 000 步中点法数值积分
结果最大相对偏差 9.9 × 10⁻¹⁴,即浮点舍入量级
交叉验证整罐体积(T = H = 3000 mm)在平底 / 2:1 椭圆 / 半球三种封头上与其他页面的 α 简化式逐位相同,Δ = 0.0000%

一个已修正的实现陷阱

原实现把等半径采样点当作母线,用右端点矩形法积分,等于把曲面当成台阶来算,对曲面封头会系统性高估。下表是修正前的偏差。列出来是因为它说明一件事:体积口径如果不单独校核,会静默污染所有派生量,而整罐体积上的误差看起来又不那么显眼。

封头封头本体高估传导到整罐体积
平底—0.000%
碟形(R 折边)5.05%0.770%
2:1 椭圆17.13%3.115%
半球17.13%6.853%
90° 锥底55.56%13.889%

整罐口径 T = H = 3000 mm;平底 / 2:1 椭圆 / 半球取精确 α,碟形与锥底的旧偏差按同一罐径折算。

校核 2 · 跨页公式一致性(19 个派生量)可重跑

搅拌计算器(mixer.html)与本页(cfd-input.html)各自独立实现同一套关联式,两页之间没有共享代码,这正是最容易出现静默分叉的地方。同一组输入下,两侧 19 个派生量必须一致:装液体积、雷诺数、功率数(单层与各层合计)、总轴功率、功率密度 P/V、单位质量功率 ε、装机功率、桨尖线速度、体积平均剪切率 G、混合时间 θ95、泵送流量、循环时间、换液次数以及若干几何比。

封头mixer.html 体积 (m³)本页体积 (m³)相对偏差
平底21.2057504121.205750410.00000%
2:1 椭圆19.4386045419.438604540.00000%
半球17.6714586817.671458680.00000%
碟形(R 折边)20.0040912219.837714080.83172%
90° 锥底—14.13716694无此项

碟形那 0.83% 来自两页对碟形封头的几何假设不同(本页按 R 折边圆弧参数化,另一页用经验 α 表),属已记录的口径差异,不作一致性判据。本页的封头系数 α 由几何反解:平底 0、碟形 0.1935、2:1 椭圆 0.25、半球 0.5、90° 锥底 1.0;其中锥底的 1.0 与此前沿用的经验值 0.30 相差三倍,是体积口径修正的一部分。

校核 3 · 物理指数自洽可重跑

关联式除了数量级,还必须满足指数关系。把转速从 120 rpm 提到 140 rpm(× 7/6),每一项都应落在解析指数上。

工况:罐内径与液位均 3000 mm,2:1 椭圆封头;两层桨,下层六直叶圆盘涡轮、上层 45° 六斜叶涡轮,桨径均 1000 mm(T/3),层间距 1.5D,最下层离底 1000 mm,轴径 60 mm;ρ = 1000 kg/m³、μ = 1.0 mPa·s,η = 87%,装机裕量 120%。

量120 rpm140 rpm计算变化解析指数 → 理论值
桨尖线速度 (m/s)6.287.33+16.7%n¹ → +16.67%
总轴功率 (kW)53.1284.35+58.8%n³ → +58.80%
功率密度 P/V (W/m³)2 7334 339+58.8%n³ → +58.80%
单位质量功率 ε (W/kg)2.734.34+58.8%n³ → +58.80%
雷诺数 Re2.00×10⁶2.33×10⁶+16.7%n¹ → +16.67%
混合时间 θ95 (s)12.510.7−14.3%n⁻¹ → −14.29%
循环时间 t_c (s)13.011.1−14.3%n⁻¹ → −14.29%
体积平均剪切率 G (s⁻¹)1 6532 083+26.0%n^(3/2) → +26.03%
Kolmogorov 微尺度 λ (µm)24.621.9−10.9%n^(−3/4) → −10.90%
泵送流量 Q (m³/h)5 4006 300+16.7%n¹ → +16.67%
装机功率 (kW)73.27116.35+58.8%n³ → +58.80%

11 项的符号与量值全部落在解析指数上,说明这套关联式之间没有互相矛盾的中间常数。

每个输出量从哪来

下表列出 L1 全部输出量的关系式与出处。「定义式」指不含经验参数的换算关系;「经验关联式」指含有由实验数据拟合的常数、只在标注范围内成立的式子。

量关系式出处适用条件
装液体积 V逐封头解析积分:半椭球 / 锥体 / 球冠 + 折边圆弧本页实现;已对照 2 000 000 步数值积分全部封头
雷诺数 ReRe = ρ n D² / μ定义式全 Re 范围
功率数 Np(湍流渐近)按桨型取经验常数公开搅拌文献与厂商样本的常用值;Rushton, Costich & Everett (1950) 起的标准 Np–Re 曲线族Re ≳ 10⁴
功率数 Np(过渡段)Np = k_L / Re + n_pNagata 型两段关联式全 Re 范围
总轴功率 PP = Σ Npᵢ ρ n³ Dᵢ⁵逐层叠加的定义式—
功率密度 P/V、单位质量功率 εP / V; ε = P / (ρ V)定义式—
桨尖线速度 uu = π n D定义式—
泵送流量 QQ = Nq n D³流量数定义式,Nq 为桨型经验值—
循环时间 t_ct_c = V / Q定义式—
混合时间 θ95θ95 = 5.64 ε^(−1/3) (D/T)^(−1/3) T^(2/3) (H/T)^a (H/T − α/3)^(−1/3)Grenville 型混合时间关联式湍流、单相
体积平均剪切率 GG = √(P / (μ V))Camp & Stein (1943) 速度梯度—
Kolmogorov 微尺度 λλ = (ν³ / ε)^(1/4)Kolmogorov (1941)湍流惯性子区
装机功率P / η × 装机裕量工程惯例;η 与裕量由用户输入仅用于电机选型量级

什么情况下不适用

以下场合请直接走 L3 自动仿真或 L4 定制;用 L1 的估算值下结论会出错。

关于剪切限值

页面内置的判据(细菌 / 酵母类桨尖线速度 7 m/s,哺乳动物细胞 1.5 m/s)是工程经验阈值,不是药典或法规条文。实际限值应以细胞株耐受性实验、工艺开发数据或既有商业化工艺的 SOP 为准。模型用它做提示,不用它做判定。

为什么 L3 才算数

L1 给量级,L3 给数。把建模页导出的算例包提交,L3 做稳态 MRF 求解与瞬态示踪,输出功率收敛值、流型、死区体积占比、剪切场分布与 θ95 曲线。这些才是能写进报告、能回答「死区在哪、剪切峰值多少」的结果。

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