摘要：對于開啟渦輪式攪拌器的攪拌流場，采用多重參考系法、標(biāo)準(zhǔn)
κ－ε湍流模型和 ＳＩＭＰＬＥ算法，應(yīng)用 Ｆｌｕｅｎｔ軟件對其
進(jìn)行數(shù)值模擬，并用ＰＩＶ實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，選用的 ＭＲＦ模型符合實(shí)際；對葉片數(shù)為４、槳葉傾角為４５°、槳徑為１００ｍｍ的常用開啟渦輪式攪拌器在轉(zhuǎn)速為１２０ｒ／ｍｉｎ時(shí)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向流，在擋板附近形成漩渦，在釜底存在攪拌死區(qū)；對攪拌器葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數(shù)為６時(shí)所產(chǎn)生的攪拌死區(qū)**少，攪拌效果**佳。
引言
攪拌器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、食品、醫(yī)藥、發(fā)酵、排污等各種行業(yè)
［１］，攪拌器葉輪是攪拌過程的主要換能器件，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的葉輪所造成的流場和混合效果差別很大，故對攪拌器進(jìn)行流場分析和優(yōu)化
［２－３］成為必要。近日，隨著
ＣＦＤ［４－６］在攪拌釜中應(yīng)用，可通過ＣＦＤ對攪拌器進(jìn)行流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，較傳統(tǒng)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法有更大的優(yōu)越性，對攪拌釜的開發(fā)和調(diào)控產(chǎn)生重大影響。雖然ＣＦＤ會(huì)縮短實(shí)驗(yàn)周期，但是真實(shí)的流動(dòng)情況需通過試驗(yàn)來驗(yàn)證
［７］。
本文以 ＣＦＤ 技術(shù)作為攪拌器流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論分析基礎(chǔ)，并用ＰＩＶ 驗(yàn)證模擬的正確性。采用ＦＬＵＥＮＴ對攪拌釜內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了開啟渦輪式攪拌器在不同結(jié)構(gòu)下的流場，并對攪拌器進(jìn)行優(yōu)化，為攪拌器的開發(fā)和選型提供了依據(jù)。
１ 實(shí)驗(yàn)裝置
１．１ 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
實(shí)驗(yàn)所用攪拌釜為帶蝶形封頭的圓柱形釜體，直
徑Ｄ＝２９０ｍｍ
，液面高度
Ｈ＝
Ｄ，槳徑為
ｄ＝１００ｍｍ
，
葉片寬度
ｂ＝１０ｍｍ，槳葉離底高度
Ｃ＝
ｄ。為了減少
釜壁對光線的折射作用，將攪拌釜置于玻璃方槽中。釜體內(nèi)有４塊擋板，擋板寬度
Ｂ＝５ｍｍ，葉片數(shù)
Ｚ＝４，流動(dòng)介質(zhì)為水。為避免激光照射到攪拌器表面行成散光，實(shí)驗(yàn)前需將攪拌器和攪拌軸表面噴上均勻的黑漆。
１．２ 流場測試系統(tǒng)
流場的測量方法主要有皮托管法
［８］、熱膜風(fēng)速儀法
［９－１０］、激光多普勒測速技術(shù)
［１１－１２］、激光超聲測量技術(shù)、電化學(xué)法、攝影法、粒子圖像測速。而ＰＩＶ 技術(shù)打破單點(diǎn)測速技術(shù)的限制，既具備單點(diǎn)測量技術(shù)的分辨率和精度，又具備平面流場顯示的瞬時(shí)圖像和整體結(jié)構(gòu)，揭示出了流動(dòng)場湍流流動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)，故本實(shí)驗(yàn)采用粒子成像測試技術(shù)
［１３－１４］。該測量儀由照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機(jī)和分析軟件組成。
２ 數(shù)值模擬
２．１ 控制方程
攪拌釜的 ＣＦＤ 分析可以看作是在流體流動(dòng)基本守恒定律下對流體的模擬，這三個(gè)基本的守恒定律是：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，而控制方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。
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２．２ |
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網(wǎng)格劃分 |
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利用 |
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／ |
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進(jìn)行建模，導(dǎo)入到 |
ＩＣＥＭＣＦＤ |
進(jìn)行網(wǎng) |
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ＰｒｏＥ |
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格劃 分。 采 用 多 重 參 考 系［１５］ （ |
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ＭｕｌｔｉｐｌｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅ |
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， |
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）方法解決攪拌區(qū)域的運(yùn)動(dòng)問題，將攪拌 |
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ＦｒａｍｅＭＲＦ |
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釜分為槳區(qū)域和槳外區(qū)域，通過在交界面上的插值轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同區(qū)域的速度匹配。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為２１４８９４個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為３９５３３個(gè)。
２．３ 模擬方法
采用ＦＬＵＥＮＴ軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，用標(biāo)準(zhǔn)
κ－ε湍
流模型模擬流體的流動(dòng)。攪拌過程中液面與大氣接觸，邊界條件設(shè)為自由液面；所有釜體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件。壓力 ― 速度耦合采用 ＳＥＭ－ＰＬＥ算法，流動(dòng)狀態(tài)為定常流動(dòng)；由于使用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用二階迎風(fēng)差分格式以提高計(jì)算精度；計(jì)
算殘差設(shè)定為
１０－３。
３ 攪拌流場分析
３．１ 流場數(shù)值模擬
為了觀察分析攪拌釜內(nèi)攪拌軸附近流體的速度大小及分布情況，截取軸向的０°切面的速度云圖和速度矢量圖，如圖１所示。從圖１（ａ）可以看出，液流的高速區(qū)主要集中在槳葉附近以及其下方的帶狀區(qū)域；另外，在槳葉下方有一個(gè)低速的自下向上流動(dòng)的三椎體區(qū)域，此區(qū)域容易產(chǎn)生攪拌死區(qū)。從圖１（ｂ）可以看出，流體有較大的軸向分量，流體在撞擊擋板之后繼續(xù)沿著擋板向下流動(dòng)，從下邊緣進(jìn)入槳葉，擋板附近形成漩渦。在封頭內(nèi)的流體沿著釜壁向中心流動(dòng)，在釜底形成攪拌死區(qū)。
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比較 |
ＰＩＶ |
實(shí)驗(yàn)和 |
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數(shù)值模擬結(jié)果可知，漩渦 |
各個(gè)截面的分析，獲得**佳攪拌效果的攪拌器結(jié)構(gòu)。 |
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Ｆｌｕｅｎｔ |
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位置基本一致，流型也基本一致。通過時(shí)均速度圖可 |
通常，軸向流、攪拌死區(qū)少、攪拌速度大、數(shù)量較多的漩 |
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知實(shí)驗(yàn)和模擬的時(shí)均速度分布和中值基本一致，且** |
渦能達(dá)到更好的攪拌效果。初始數(shù)據(jù)：葉片數(shù) |
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大速度都在葉端位置，分別為 |
／ 和 |
／。 |
傾角 |
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，槳徑 |
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，轉(zhuǎn)速 |
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０．０４６ｍｓ |
０．０４５ｍｓ |
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４５° |
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１００ｍｍ |
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由于軸的柔性，在轉(zhuǎn)動(dòng)中速度有一定波動(dòng)，存在一定誤 |
４．１ |
葉片數(shù)對槳性能的影響 |
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差。綜上所述， |
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實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確 |
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圖 |
３ |
給出了在相同槳葉傾角 |
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ＰＩＶ |
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性，選用的 |
ＭＲＦ |
模型符合實(shí)際。 |
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、轉(zhuǎn)速 |
／ |
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＝１００ｍｍ |
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１２０ｒｍｉｎ |
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攪拌器的優(yōu)化 |
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種不同葉片數(shù)下能表達(dá)釜內(nèi)整個(gè)宏觀流動(dòng)場的模擬結(jié) |
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４ |
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果，考慮到釜內(nèi)有４個(gè)擋板，故每種葉片數(shù)下表達(dá)釜內(nèi) |
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通過對不同葉片數(shù)、不同槳徑和不同槳葉傾角在 |
整個(gè)流場的截面都不同。 |
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５ |
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根據(jù)流體力學(xué)理論，采用Ｆｌｕｅｎｔ對攪拌釜內(nèi)部流 |
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場進(jìn)行了模擬，并用 ＰＩＶ 對模擬進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表 |
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明， |
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實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致，選用的 |
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ＰＩＶ |
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模型符合實(shí)際；對葉片數(shù)為 、槳葉傾角為 |
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ＭＲＦ |
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４ |
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槳徑為 |
１００ｍｍ |
的常用開啟渦輪式攪拌器，在轉(zhuǎn)速為 |
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／ |
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時(shí) 槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向流 在擋板附近形成漩 |
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， |
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， |
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１２０ｒｍｉｎ |
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渦 在釜底存在攪拌死區(qū) 通過改變攪拌器葉輪的設(shè)計(jì) |
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， |
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； |
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參數(shù)，對所得到的模擬結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳 |
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徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數(shù)為６時(shí)所產(chǎn)生的 |
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攪拌死區(qū)**少，攪拌效果**佳。 |
