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        渦輪攪拌器攪拌特性數(shù)值模擬與實驗研究

        2012-12-21 06:02:52張遠新王程祥舒安慶
        裝備制造技術 2012年3期
        關鍵詞:攪拌器圓盤渦輪

        楊 紅,張遠新,王程祥,肖 臻,舒安慶

        (武漢工程大學機電學院,湖北 武漢 430073)

        攪拌與混合操作,是最常規(guī)的過程單元操作之一。當今的攪拌技術已進入快速發(fā)展時期,并積累了大量可用于分析和預測混合體系的設計經驗和關聯(lián)式,但由于流體混合體系的多樣性和物料本身流變特性的復雜性,導致了流場的復雜多變。目前對于攪拌設備的選型和設計,主要依據(jù)為攪拌槽內的宏觀流動特性。研究者對攪拌槽內的宏觀流動特性進行充分的研究,可以給出定性化判據(jù)和標準,但其經驗性較強,依賴于小規(guī)模試驗結果,不能預測真實過程中各種場及攪拌槽內過程特性,因此很難向幾何參數(shù)、操作條件不同的過程推廣,對其優(yōu)劣難以用理論預測,因而研究的重點越來越注重于對攪拌的微觀研究。從更微觀更本質的角度,采用先進的測試手段和計算流體力學方法,獲取攪拌設備中的速度場、溫度場和濃度場,不僅對攪拌與混合設備的優(yōu)化設計具有重要的經濟意義,而且對放大和混合的基礎研究,具有現(xiàn)實的理論意義[1~2]。

        對攪拌設備內部流場測量的實驗裝置,一般比較昂貴,實驗周期長,有些過程甚至無法實驗測量,而CFD 軟件的出現(xiàn),極大地促進了攪拌混合研究。CFD 最重要的應用,是對流場的分析,可以明確在不同攪拌器的型式、尺寸、離底距離等條件下,流場對混合、懸浮和分散等過程的影響,即CFD 流動、能量耗散等的計算可視化。從而使用戶可以直觀地了解釜內的混合情況,幫助用戶確定已存在系統(tǒng)中的問題,指導用戶進行攪拌器的優(yōu)化設計[3-8]。目前國外的專業(yè)混合設備公司,已經利用CFD技術優(yōu)化攪拌器的幾何尺寸,開發(fā)了第二代高效軸向流攪拌器。

        渦輪攪拌器是工業(yè)上最常用的攪拌器型式,針對幾種典型的渦輪攪拌器形式,本文就其攪拌流場和攪拌功率特性,分別進行了CFD 數(shù)值模擬和對比實驗研究,繪制了功率曲線,比較不同結構形式的應用特點,并比較了數(shù)值模擬結果與攪拌實驗結果的一致性。

        1 研究對象

        針對渦輪攪拌器的典型結構,選取平直葉開啟渦輪式(PK)、平直葉圓盤渦輪式(PY)、45°斜葉開啟渦輪式(XK)這3種結構形式,攪拌器具體尺寸參數(shù)見表1。

        表1 3種攪拌器尺寸參數(shù) (單位:mm)

        有機玻璃攪拌槽,內設4個標準擋板,實驗室環(huán)境溫度為20℃,攪拌介質為水。多功能升降式攪拌試驗臺,計算機自動控制,可自動測試攪拌轉速、攪拌功率、溫度、粘度等參數(shù)。

        2 Fluent 數(shù)值模擬

        2.1 攪拌槽建模

        按照實驗用的攪拌器及攪拌槽尺寸,使用Fluent軟件包內的Gambit 建立攪拌槽的三維模型,采用Tgrid 方法將其劃分成四面體網(wǎng)格,應用多重參考系模型(MRF)求解計算,在攪拌器周圍設置動區(qū)域,定義其內的流體以攪拌槳相同轉速進行旋轉,其他為靜區(qū)域,動區(qū)域的網(wǎng)格比靜區(qū)域細密,設置兩區(qū)域網(wǎng)格尺寸之比為5:6,劃分網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

        圖1 Gambit 建立的攪拌槽模型

        2.2 流場模擬及分析

        將輸出的Mesh 文件導入到Fluent 中,選用標準k-ε 湍流模型。定義動靜區(qū)域內為液體,其中動區(qū)域為MRF 并給定轉速。將軸和槳定義為動邊界,邊界類型均為壁面邊界,其中攪拌軸處于靜區(qū)域內,相對于區(qū)域內流體是運動的,給定絕對轉速,攪拌槳處于動區(qū)域,和周圍流體以相同轉速運動。將擋板的外表面與槽壁定義為靜止壁面邊界條件,將動靜區(qū)域的接觸面定義為3個界面(interface),壓力——速度耦合使用SIMPLE 算法,差分格式采用一階迎風進行收斂。初始化后進行模擬計算,待殘差穩(wěn)定后,分別輸出3種攪拌器的速度矢量圖,如圖2、圖3、圖4所示。

        圖2 平直葉攪拌器流場速度矢量圖

        圖3 平直葉圓盤攪拌器流場速度矢量圖

        圖2和圖3均為平直葉攪拌器,攪拌器剪切作用較大,屬于剪切型攪拌器,亦屬于徑流式攪拌器,流體在葉輪區(qū)產生高速徑向射流,流動方向垂直于攪拌軸,撞到擋板或者槽壁后,徑向排出流分成兩股流體,一股向上、一股向下流動,再回到葉端,形成上下兩個循環(huán)流動。而圖3所示的圓盤攪拌器,由于圓盤阻擋的存在,上下兩個循環(huán)中的流體基本不穿過葉片,而圖2所示的六直葉攪拌器則沒有圓盤這么規(guī)則。圖4為45°斜葉攪拌器的流動特性,不僅具有徑流式攪拌器的流動特性,而且在其葉面還有強大的軸向流動,使上循環(huán)中流體能夠透過葉片間隙進入下循環(huán),屬于典型的混流式攪拌器,其攪拌混合作用最佳。

        圖4 45°斜葉攪拌器流場速度矢量圖

        2.3 攪拌功率計算

        在Fluent 軟件模擬計算收斂后,使用Force Reports 功能,在opinion 項選擇moment(扭矩),moment center 選擇轉動軸,在wall zones 項選擇轉動部件為槳和軸,點擊Print 可輸出模擬的攪拌槳和軸的扭矩值,并由下述公式計算得到攪拌功率

        式中,

        M為扭矩,N·m;

        ω為角速度,rad/s;

        N為轉速,r/min。

        計算出3種攪拌器在各級轉速下的攪拌功率,將所得的數(shù)據(jù)結果繪制成圖5所示的功率曲線圖。

        3 攪拌實驗及對比分析

        渦輪攪拌器攪拌實驗過程中,每次安裝一種攪拌器進行實驗,攪拌器轉速從20 r/min 開始逐漸升高,最高轉速達到380 r/min,每次增加20 r/min,試驗臺可以自動測出攪拌軸的扭矩,并進而計算出每次的攪拌功率。實驗得到3種渦輪攪拌器分別在不同攪拌轉速下的攪拌功率,與模擬計算值繪制在同一張圖上,可得到相應的功率曲線,如圖5所示。

        圖5 3種攪拌器模擬與實驗攪拌功率曲線

        從實驗功率曲線可分析,隨著轉速增加,攪拌功率加速增大;相同轉速下六斜葉整體開啟渦輪式攪拌功率最小,能耗最低,攪拌效果比較理想;而平直葉攪拌器攪拌功率較大,兩者比較,在轉速較小時,平直葉圓盤渦輪式攪拌功率更大;而當轉速增大時,六直葉整體開啟渦輪式攪拌功率增長更快,并最終超過圓盤渦輪式攪拌器,實驗表明,臨界轉速大致在200 r/min。

        比較CFD 模擬功率曲線與實驗曲線,在低轉速下(低于260 r/min),模擬結果與實驗結果吻合很好;而轉速增加時,偏差增大,這與數(shù)值模擬的模型簡化有關??傮w來說,CFD 模擬功率值與實驗結果,有較好的一致性,數(shù)值模擬的結果對實驗有較好的指導作用。

        4 結束語

        渦輪攪拌器是最為常用的攪拌器型式之一?;贑FD 數(shù)值模擬和攪拌實驗測試技術,對渦輪式攪拌器的攪拌性能,進行對比研究具有重要意義?;贔luent 軟件的數(shù)值模擬中,在處理類似攪拌槽問題時,將攪拌軸、攪拌器及其周邊區(qū)域都設為動區(qū)域進行模型簡化處理,基于四面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分,數(shù)值模擬方法選用標準k-ε 湍流模型,采用多重參考系模型(MRF)求解穩(wěn)態(tài)下的攪拌流場,較為合理。Fluent 軟件的Report 功能輸出的模擬扭矩值換算成的功率曲線和實測值,有很好的一致性,證明了CFD 數(shù)值模擬技術不僅可模擬攪拌流場分布,還可較為準確地模擬計算攪拌功率,對攪拌設備優(yōu)化設計和實物實驗有進一步的指導作用。

        [1]陳登豐.攪拌器和攪拌容器的發(fā)展[J].壓力容器,2008,25(2):33-41.

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