翟 甜，郝惠娣，秦 佩，馮榮榮，馬 騰

（西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

氣液兩相攪拌槽在化工、冶金、食品等工業(yè)中有很廣泛的應(yīng)用。氣-液分散攪拌操作的目的是把通入攪拌槽中的氣體進行分散，增大單位體積液體中的兩相接觸面積，從而提高傳質(zhì)速率，加快反應(yīng)進行[1]。隨著計算流體力學(xué)（CFD） 的飛速發(fā)展， 數(shù)值分析方法已經(jīng)成為化工裝備行業(yè)研究的重要手段之一。國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對攪拌器的流體力學(xué)性能和傳熱性能進行了數(shù)值研究[2~4]。

本文利用ANSYS 軟件中CFX流體分析及仿真的方法，對通氣式中心龍卷流攪拌槽內(nèi)氣液兩相流的混合特性進行數(shù)值模擬，定性的分析了開孔形式對混合流場的影響。研究結(jié)果對氣液攪拌槽的優(yōu)化的優(yōu)化設(shè)計及工業(yè)放大應(yīng)用有一定的實際意義。

1 模型建立

1.1 建立攪拌槽模型

圖1 攪拌槽模型Fig.1 The model diagram of single impellers mixing tank

攪拌槽模型為底板帶有對數(shù)螺旋線，底盤直徑為300mm，高450mm，底盤和外殼的厚度均為5mm，槳葉類型為拋物線的攪拌槽。單通氣管和雙通氣管的內(nèi)徑均為5mm，如圖1所示。圖2為拋物線槳葉的物理模型，圖3是帶有對數(shù)螺旋線攪拌槽底盤。

圖2 拋物線槳葉Fig.2 parabolic impeller

圖3 底盤Fig.3 the bottom of shell

1.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS的網(wǎng)格劃分采用平臺，采用的是“分解并克服（Divide and Conquer ）”的策略，主要有：自動劃分網(wǎng)格法；四面體劃分網(wǎng)格法；掃略法；多域法；Hex Dominant 法。從計算量、網(wǎng)格生成難易程度、收斂性三方面考慮，采用四面體網(wǎng)格劃分方法網(wǎng)格劃分，對網(wǎng)格數(shù)量進行優(yōu)化，得到網(wǎng)格的無關(guān)解。對槳葉、導(dǎo)流板進行網(wǎng)格細(xì)劃分，以便更好的捕捉其附近的流動特性。并且在所有壁面處應(yīng)用Inflation[5~7]這一網(wǎng)格特性，以保證壁面處的速度梯度變化不至于太大。圖4、圖5分別為槳葉網(wǎng)格圖和導(dǎo)流板網(wǎng)格圖。

圖4 槳葉的網(wǎng)格劃分Fig.4 the mesh of impeller

圖5 導(dǎo)流板的網(wǎng)格劃分 Fig.5 the mesh of deflector

1.3 邊界條件

根據(jù)攪拌器的結(jié)構(gòu)特點和流體流動的性質(zhì)，定義邊界條件如下：因為氣體從管中進入從Opening處流出，因此Opening形式設(shè)為Outlet。將固—液界面處定義為無滑移固壁邊界，即粘性流體粘附在固體壁面上[8]。攪拌軸的轉(zhuǎn)速為300r·min-1，氣體速度設(shè)為5m·s-1。收斂條件：收斂殘差＜ 10-4。

2 數(shù)值模擬

模擬過程采用控制容積發(fā)，利用 Rhie-Chow算法避免發(fā)生振蕩。壓力- 速度的耦合求解采用SIMPLEC 算法，對流項的離散采用混合 - 上風(fēng)差分格式。收斂準(zhǔn)則為RMS，將質(zhì)量、動量和湍流方程的收斂殘差定為1×10-4，設(shè)置一定的迭代步數(shù)，進行迭代計算，直至質(zhì)量、動量和湍流方程收斂。采用多重參考系法（MRF）來解決運動槳葉和靜止導(dǎo)流板之間的相互作用。MRF將求解域分為內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域和外部靜止域。內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域包括運動的槳葉及其附近的流體，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系求解連續(xù)方程和動量方程，外部靜止域包括靜止的導(dǎo)流板和槽體及管壁伸進槽體的部分，在靜止坐標(biāo)系下求解連續(xù)方程和動量方程式。在兩個域交界面通過插值來實現(xiàn)質(zhì)量、動量和能量交換。

2.1 單通氣管的數(shù)值模擬及分析

氣體從單通管以5 m·s-1的速度進入，從氣體的速度矢量圖（圖6）可以看出，氣體進入后，從槳葉下面，沿壁面向上流動，到達(dá)頂面后，沿攪拌軸向下流動。

圖6 單通氣管氣體的速度矢量圖Fig.6 The velocity vector of air

液體在拋物線型槳葉攪拌槽內(nèi)，給定轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，在高速旋轉(zhuǎn)時，槳葉對其附近的流體產(chǎn)生擠壓作用，在重力作用下，槳葉區(qū)流體的軸向流動較強而沿軸上、下流動。從圖7可以看出，在槳葉的上下區(qū)域，液體形成2個漩渦。

圖7 單通氣管液體的速度矢量圖Fig.7 The velocity vector of fluid

2.2 雙通氣管的數(shù)值模擬及分析

在2個彎管處，氣體同樣以5m·s-1的速度進入，從圖8氣體的速度矢量圖可以看出，氣體沿2個彎管，順著壁面，從下往上流動。到達(dá)頂部的時候，沿著攪拌軸向下流動，形成2個漩渦。

圖8 雙通氣管氣體的速度矢量圖Fig.8 The velocity vector of air

圖9 雙通氣管液體的速度矢量圖Fig.9 The velocity vector of fluid

同樣給定拋物線型槳葉的速度為300r·min-1，從圖9液體的速度矢量圖可以看出，在槳葉的高速旋轉(zhuǎn)下，液體在槳葉的上部形成很明顯的2個漩渦；同樣在導(dǎo)流板附近的區(qū)域內(nèi)，液體向上流動，與槳葉附近的流體混合，在槳葉下部區(qū)域形成一定的渦流。

2.3 單通管與雙通氣管的比較

從模擬的結(jié)果和以上的分析可以看出，對于中心龍卷流型攪拌槽，流體流動主要以軸向流為主，整個流體域基本處于循環(huán)流的影響范圍，在槳葉的上緣葉尖處流速最大，并且?guī)в休^強的軸向分量，全槽返混狀態(tài)良好，速度基本均勻，能實現(xiàn)較好的攪拌效果，有利于物料的混合或懸浮。

在同樣的氣體轉(zhuǎn)速和槳葉轉(zhuǎn)動速度下，雙通氣管的攪拌槽模擬效果比單通氣管的模擬效果好，氣液混合效果好。而且在導(dǎo)流板的帶動下，雙通氣管形成的渦流較單通氣管的好，這樣可以使氣體與液體混合得更充分。

3 結(jié)語

采用RNG k -ε湍流模型，多重參考系法（MRF），對攪拌槽內(nèi)單向流動進行了數(shù)值模擬，可得：

（1）中心龍卷流攪拌槽，在導(dǎo)流板的的引導(dǎo)作用下，在槽底表面形成向心流，進而，在槽中心部位形成螺旋上升的龍卷流，然后在回到葉輪區(qū)，如此形成全槽范圍的單循環(huán)流。

（2）單通管的攪拌槽，在通入氣體后沿槽壁向上流動，到達(dá)頂部回流到攪拌軸附近，形成渦流，液體在攪拌軸的附近形成漩渦。

（3）雙通氣管的攪拌槽，在通入氣體后，沿槽壁向上流動，回流到槳葉附近區(qū)域。液體在攪拌軸附近產(chǎn)生徑向流，形成2個很明顯的漩渦。

（4）雙通氣管的攪拌槽比單通管的攪拌效果好，能使氣體和液體充分的混合，對攪拌槽的優(yōu)化設(shè)計及工業(yè)放大效應(yīng)有一定的實際意義。

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