楊 紅，王呈祥,肖 臻

(武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

攪拌是化工過程的一個重要的單元操作，被用來進行各種操作，如固-液、氣-液混合和化學(xué)反應(yīng)等.攪拌過程是通過攪拌器的旋轉(zhuǎn)向釜內(nèi)流體輸入機械能，使得流體獲得適宜的流場，在流動場內(nèi)進行動量、熱量、質(zhì)量的傳遞或者同時進行化學(xué)反應(yīng)的過程.穿流型攪拌器泛指在攪拌器的槳葉或擋板上開通孔以達到穿流效果的新型攪拌器.相關(guān)研究表明，新型穿流型攪拌器不但減小了旋轉(zhuǎn)方向上的投影面積，從而降低了能耗，同時在攪拌系統(tǒng)中產(chǎn)生射流，能進一步強化渦流擴散.穿流型攪拌能夠在較小的能耗情況下達到強化攪拌效果的目的[1-3]，并且在濕法硫酸生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[4].

近年來，基于計算流體力學(xué)(CFD，Computa-tional Fluid Dynamics)的數(shù)值模擬技術(shù)已成為攪拌過程研究的一個重要技術(shù)手段，而關(guān)于穿流型攪拌器的數(shù)值模擬研究較少，且主要集中在穿流型攪拌器對攪拌功率影響的定性研究上，并未對開孔的具體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究.

攪拌槳開孔的影響因素包括開孔尺寸、開孔率、開孔位置等，本文針對常用的四葉槳攪拌器，在特定的攪拌槽和相同的開孔尺寸及開孔率條件下，對不同開孔位置下的攪拌器的攪拌流場和功率特性進行CFD數(shù)值模擬，為進一步的應(yīng)用優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ).

1 研究對象與建模

1.1 研究對象

本文研究的是穿流型攪拌器開孔位置對攪拌效果及能耗的影響，即主要研究的是穿流型攪拌器開孔位置與湍流程度及功率之間的關(guān)系.在這個前提下，不考慮開孔尺寸等因素的影響，采用同樣的開孔尺寸及開孔率等參數(shù)，把開孔位置當成對功率的主要影響因素來進行研究分析.基于實驗室現(xiàn)有的攪拌試驗機，攪拌槽為有機玻璃材質(zhì)，圓柱形筒體，球皮封頭，以水為介質(zhì)進行研究.攪拌試驗機的基本尺寸如表1所示.

表1 攪拌槽基本尺寸表Table 1 Agitation tank basic size mm

本研究采用常用的四葉槳攪拌器，分直葉和45°斜葉兩種槳型，槳葉上的開孔位置分為三種，按照與攪拌軸的距離分為近端、中間和遠端，以遠端開孔為基準，每次向中心軸靠近20 mm.使用Solidworks建立的直葉遠端開孔攪拌器的三維模型如圖1所示，開孔的基本幾何尺寸如圖2所示.按照以上的基本尺寸與特征，在Fluent前處理軟件Gambit中進行建模及網(wǎng)格劃分等操作.

圖1 直葉遠端開孔攪拌器模型Fig.1 Straight impeller distal type model

圖2 遠端開孔基本尺寸Fig.2 Distal opening basic size

1.2 CFD模型建立

攪拌釜數(shù)值模擬中的網(wǎng)格劃分及邊界條件定義等方法借助于已有的研究成果[5-8].該模型在前處理軟件Gambit進行建模，運用布爾運算將整個攪拌釜劃分成動區(qū)域和靜區(qū)域兩個區(qū)域：靠近攪拌槳的圓柱區(qū)域(近槳區(qū))為動區(qū)域，其余部分為靜區(qū)域.通過Gambit采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將兩個區(qū)域分別進行網(wǎng)格劃分，給定不同的網(wǎng)格大小，得到不同的網(wǎng)格密度，以便于在FLUENT中進行求解計算.以直葉遠端開孔為例，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，可以很直觀的看出動區(qū)域和靜區(qū)域，為取得更加精確的計算結(jié)果，在近槳區(qū)采用較為密集的網(wǎng)格.

圖3 直葉槳遠端開孔攪拌槽網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of straight agitator distal type

攪拌釜的數(shù)值模擬目前大多采用定常模式，選擇k-ε湍流模型，定義動靜區(qū)域內(nèi)介質(zhì)為水.由于水的密度相對較大，不可忽略重力作用，因此給予9.81 m/s2的重力加速度.將動區(qū)域定義為MFR(Moving Reference Frame)，給予對應(yīng)的速度，處在動區(qū)域的攪拌器給以相對速度為0；靜區(qū)域不給定初始速度；處在靜區(qū)域的攪拌軸以與動區(qū)域?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)速作為初始速度；在動區(qū)域與靜區(qū)域之間采用3對交界面；壓力與速度耦合使用SIMPLE算法，一階迎風(fēng)格式進行計算[9-11].這樣的邊界條件定義方式可以使得攪拌釜內(nèi)的初始條件更加接近實際情況.

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 攪拌流場分析

通過以上提到的網(wǎng)格劃分及定義方法得出八種攪拌器在四種速度下的計算結(jié)果,八種攪拌器分別為四種直葉攪拌器-直葉無孔攪拌器、直葉近端開孔攪拌器、直葉中間開孔攪拌器和直葉遠端開孔攪拌器以及以此類推的四種斜葉攪拌器.以斜葉無孔及斜葉近端開孔為例，圖4、圖5分別是兩種攪拌器在200 r/min轉(zhuǎn)速下的攪拌槽縱截面的速度矢量圖.

圖4 斜葉近端開孔攪拌器縱截面矢量圖Fig.4 Longitudinal vector diagram of oblique leaf near type punched impeller

圖5 斜葉無孔攪拌器縱截面矢量圖Fig.5 Longitudinal vector diagram of oblique leaf impeller without hole

對比圖4～5，從速度范圍可知：開孔攪拌器的最大速度明顯大于無孔攪拌器；在動區(qū)域，從速度矢量截面圖來看，近端開孔攪拌器速度的密集度比無孔的大，開孔攪拌器的渦流強度比無孔攪拌器的強；在靜區(qū)域，開孔攪拌器的渦流強度明顯大于無孔的攪拌器，并且回流趨勢也比無孔攪拌器明顯.

2.2 功率特性分析

通過Fluent的后處理可以得到扭矩，因此可以通過下面的公式將扭矩與功率進行轉(zhuǎn)化；功率計算公式為

(1)

式(1)中:M表示扭矩，單位：N·m;ω表示角速度，單位：rad/s；n表示轉(zhuǎn)速，單位：r/min.

由公式(1)可知，若在同一攪拌槽且兩個攪拌器在同一轉(zhuǎn)速下，功率大小與扭矩大小成正比，即在特定轉(zhuǎn)速下，扭矩決定功率大小.由于比較的是相同速度下不同攪拌器的功率之間的大小關(guān)系，因此只需比較相同速度下各攪拌器的扭矩大小即可.在數(shù)值模擬過程中，模擬了直葉無孔、斜葉無孔、直葉近端開孔和斜葉近端開孔等八種攪拌器在四組速度下的流場，通過Fluent的Report功能得到的攪拌器各轉(zhuǎn)速下的扭矩，然后計算出各攪拌器在對應(yīng)轉(zhuǎn)速下功率，并繪出如圖6所示的功率消耗與速度曲線.

圖6 各攪拌器的功率消耗與速度曲線圖Fig.6 Power consumption and speed curve of all impellers 注：

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，斜葉攪拌槳的功率明顯小于直葉攪拌槳；當轉(zhuǎn)速小于300 r/min時，轉(zhuǎn)速越大，節(jié)省功率效果越明顯；相同轉(zhuǎn)速下，功率大小隨著槳葉形式和開孔位置變化；功率最大的是直葉無孔攪拌器，最小的是斜葉遠端開孔攪拌器；對于同一類型的攪拌器而言，無孔攪拌器的功率最大，而遠端開孔的攪拌器扭矩最小，并且功率隨著開孔位置與攪拌軸的距離的增大而減小.

3 結(jié) 語

以上針對常用的四葉槳式攪拌器，分直葉和45°斜葉兩種槳型，在槳葉上按照與攪拌軸的距離分近端、中端和遠端進行開孔，在液-液相條件下對相應(yīng)攪拌槽進行了數(shù)值模擬.模擬結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：

(1)斜葉槳與直葉槳相比能明顯降低能耗，獲得更佳的攪拌流型.

(2)相同條件下，槳葉開孔的穿流型攪拌器與普通攪拌器比較，在更低的功耗下，可獲得更大的速度梯度和更明顯的渦流效應(yīng)，有效地強化攪拌.

(3)相同的開孔尺寸及開孔率條件下，開孔位置離攪拌軸越遠，功耗下降越明顯，且在模擬范圍內(nèi)(300 r/min)，攪拌轉(zhuǎn)速越高，效果越明顯.

數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)理論分析及實際使用情況一致，表明穿流型攪拌器有較好的綜合性能，是一種加工方便，使用效率高，值得大力推廣的新型攪拌器.

致謝

衷心感謝武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院攪拌實驗室提供的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，同時也感謝中國五環(huán)工程有限公司的張遠新參入數(shù)值模擬及相關(guān)工作.

參考文獻：

[1] 陳志平，章序文，林興華,等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:1-15.

[2] 趙之平，角仕云，陳澄華,等.新型穿流攪拌釜的研究(Ⅱ)混合機理[J].化工進展，2002，22(z1)：85-88.

[3] 劉靜，向群，王能勤.新型穿流型攪拌器的攪拌機理分析及實驗研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，1999,34(3):295-299.

[4] 趙清華，梁玉祥.穿流式攪拌槳在水-磷石膏系統(tǒng)中的攪拌性能研究[J].四川化工與腐蝕控制，2001,4(6)：10-13.

[5] 鄒晨，謝明輝，周國忠,等.穿流式攪拌槽內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J].機械設(shè)計與制造，2012(4):239-241.

[6] 周志忠，施力田，王英琛,等.攪拌槽內(nèi)近漿區(qū)流動場的數(shù)值研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2002，16(1)：17-21.

[7] 張國娟. 攪拌槽內(nèi)混合過程的數(shù)值模擬[D].北京：北京化工大學(xué)，2004.

[8] 雷 晶. 基于FLUENT軟件攪拌器的流體模擬[J]. 油氣田地面工程，2010，29(8):25-26.

[9] 楊紅，張遠新，王呈祥,等.渦輪攪拌器攪拌特性數(shù)值模擬與實驗研究[J].裝備制造技術(shù)，2012(3)：1-3.

[10] 董厚生，魏化中，舒安慶.磷酸反應(yīng)槽內(nèi)臨界離底懸浮轉(zhuǎn)速的CFD模擬[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報，2011，33(10)：86-89.

[11] 劉玉華，喻九陽，鄭小濤.氣-氣混合器的三維流場數(shù)值模擬[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報，2008,30(2):108-110.