劉源　王爐鋼

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司）

六直葉圓盤渦輪攪拌器的流動特性研究

劉源*王爐鋼

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司）

以配置了六直葉圓盤渦輪攪拌器的攪拌罐為對象，對相同攪拌功率下三種攪拌器直徑和攪拌轉(zhuǎn)速的組合進(jìn)行了流動特性的計算流體力學(xué)模擬，研究了攪拌罐內(nèi)的速度矢量分布、剪切速率分布和循環(huán)能力。結(jié)果表明，攪拌器直徑和攪拌轉(zhuǎn)速的改變會引起剪切速率和循環(huán)能力的變化。

渦輪攪拌計算流體力學(xué)剪切速率循環(huán)能力流動特性

0　前言

攪拌設(shè)備通過旋轉(zhuǎn)的攪拌器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體的動能，促進(jìn)工藝過程的混合、傳質(zhì)和傳熱等，是一種常規(guī)的單元操作。對于給定的攪拌設(shè)備和被攪流體，在湍流區(qū)域，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的3次方成正比，與攪拌器直徑的5次方成正比［1］。若限定攪拌功率，再結(jié)合減速機(jī)構(gòu)的選型，則可以有多種攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌器直徑的組合。

不同攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌器直徑的組合，將形成不同的流動特性，例如引起循環(huán)流動和剪切作用的此消彼長，而循環(huán)流動量大，則液體混合就均勻；剪切作用強(qiáng)，則液體的局部混合和分散就完全。顯然，不同的工藝過程對于攪拌產(chǎn)生的流動特性有不同的需求，因此研究相同攪拌功率下不同攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌器直徑的組合的流動特性，具有現(xiàn)實(shí)意義。

隨著計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的迅速發(fā)展，通過CFD模擬的方法可以獲取不同攪拌過程流體的速度場、濃度場和溫度場等信息，很大程度上彌補(bǔ)了測試手段有限的不足，可以為攪拌設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化提供指導(dǎo)。CFD模擬結(jié)果詳盡、直觀，可以節(jié)約時間和成本，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［2-4］。本文擬采用CFD模擬的方法研究配置了單層六直葉圓盤渦輪（6DT）攪拌器的攪拌罐內(nèi)的流動特性。

1　攪拌罐參數(shù)

攪拌罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌罐為平底，內(nèi)徑D=1500 mm，液深H=1500 mm。擋板4塊均布，長度L=1300 mm，寬度w=125 mm，距罐壁間隙c= 25 mm，距罐底高度h=100 mm。攪拌罐尺寸參數(shù)見圖1。攪拌罐內(nèi)介質(zhì)為牛頓流體，其密度為1000 kg/m3，黏度為1×10－2Pa·s。

圖1　攪拌罐尺寸參數(shù)

攪拌器距罐底高度C=500 mm，為六直葉圓盤渦輪，代號6DT。在保持相同攪拌功率的前提下，依據(jù)攪拌功率與攪拌器直徑d和攪拌轉(zhuǎn)速N的關(guān)系，設(shè)定了組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種組合，攪拌器直徑由小到大，攪拌轉(zhuǎn)速由大到小，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　六種組合的排出流量對比

2　CFD模擬計算

2.1計算模型

模型基本方程包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，因不考慮溫度變化，故不包括能量守恒方程；采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型封閉守恒方程［5］。

為簡化計算作以下假設(shè)：攪拌罐內(nèi)流體的時均運(yùn)動為穩(wěn)定流動，忽略周期運(yùn)動對流場內(nèi)流體宏觀運(yùn)動的影響；流體為連續(xù)的不可壓縮牛頓流體，攪拌槽內(nèi)流動為各向同性湍流。考慮到模型中是否計入攪拌軸對本研究并無顯著影響，為節(jié)約計算時間，將其忽略。

采用多重參考系法（MRF）處理運(yùn)動的攪拌器、攪拌軸和靜止的釜壁、擋板之間的相互作用，將整個計算區(qū)域分為兩部分，即包含攪拌器、攪拌軸的旋轉(zhuǎn)區(qū)域和包含釜內(nèi)其他區(qū)域的靜止區(qū)域。反應(yīng)釜內(nèi)壁、擋板、攪拌軸和攪拌器等均選用壁面邊界條件，其中反應(yīng)釜內(nèi)壁和擋板定義為靜止壁面條件，攪拌器和攪拌軸定義為運(yùn)動壁面條件且相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的運(yùn)動速度為零。液面定義為對稱邊界條件，即所有變量的法向梯度均為零，只有在面內(nèi)的分量。

2.2計算方法

采用有限體積法離散守恒方程，將偏微分方程格式的守恒方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。壓力和速度間的耦合采用SIMPLE算法。離散化格式除壓力采用PRESTO！格式外，均采用二階迎風(fēng)差分格式。

該攪拌罐在整個計算區(qū)域內(nèi)均采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散。為保證計算精度，對攪拌器區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。為考察計算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，對組合Ⅰ劃分網(wǎng)格總數(shù)分別為957 153和1 482 967時的攪拌功率和排出流量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，計算結(jié)果變化幅度均小于5%。結(jié)合計算機(jī)的計算能力，確定采用1.0×106左右的網(wǎng)格數(shù)。

3　結(jié)果與討論

3.1速度矢量分布

圖2（a）～（c）給出了三種組合時攪拌罐內(nèi)的速度矢量分布。由圖2可見，三種組合的速度矢量分布有共同的特點(diǎn)。液體由攪拌器徑向高速排出，沖擊罐壁后分成兩股，分別沿著罐壁向上和向下流動，又分別返回攪拌器上方和下方，形成了兩個循環(huán)。另外，攪拌器直徑越小、攪拌轉(zhuǎn)速越高，流場中出現(xiàn)的最大速度就越大，這對于增強(qiáng)局部區(qū)域的剪切作用是有利的。

3.2剪切速率分布

當(dāng)被攪拌的液體高速流動時，由于液體的黏性，在液層之間會產(chǎn)生剪切作用。這種剪切作用能促進(jìn)液體的局部混合和分散。圖3（a）～（c）給出了三種組合時攪拌罐內(nèi)的剪切速率分布，數(shù)值范圍為0～80 s-1。圖3（d）～（f）給出了三種組合時攪拌器附近區(qū)域的剪切速率分布，數(shù)值范圍為0～300 s-1。由圖3可見，剪切速率較高的區(qū)域和速度矢量分布圖中速度較高的區(qū)域是基本一致的。在攪拌器附近存在一個強(qiáng)剪切的區(qū)域，隨著攪拌器直徑增大、攪拌轉(zhuǎn)速減小，剪切作用的范圍擴(kuò)大，分布趨于均勻，但攪拌器附近區(qū)域的剪切強(qiáng)度減弱。

圖2　速度矢量分布圖

圖3　剪切速率分布云圖

3.3循環(huán)能力

從速度矢量分布圖可以看出，6DT攪拌器排出徑向高速流。高速流從周圍吸引挾帶低速流，共同形成了涉及到整個攪拌罐的循環(huán)。這種循環(huán)把能量傳遞到罐內(nèi)各處，同時將罐內(nèi)各處液體循環(huán)回到具有強(qiáng)烈攪拌作用的攪拌器近旁，因此對于攪拌過程具有重要的意義。用排出流量Qd來表征循環(huán)能力，Qd可以通過徑向速度沿著圓柱面上積分得到。三種組合的排出流量計算結(jié)果列于表1。由表1可見，隨著攪拌器直徑的增大和攪拌轉(zhuǎn)速的減小，排出流量增大顯著，這表示循環(huán)能力有明顯的提升。

4　結(jié)論

（1）在本文研究條件下，6DT攪拌器的流型是液體由攪拌器徑向高速排出，形成了上、下兩個循環(huán)；攪拌器直徑越小、攪拌轉(zhuǎn)速越高，流場中出現(xiàn)的最大速度就越大。

（2）在本文研究條件下，6DT攪拌器隨著攪拌器直徑增大、攪拌轉(zhuǎn)速減小，剪切作用的范圍擴(kuò)大，分布趨于均勻，但攪拌器附近區(qū)域的剪切強(qiáng)度減弱。

（3）在本文研究條件下，6DT攪拌器隨著攪拌器直徑增大、攪拌轉(zhuǎn)速減小，循環(huán)能力有明顯的提升。

（4）在保持相同攪拌功率的前提下，調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌器直徑，可以選擇性地強(qiáng)化剪切作用或循環(huán)能力，以滿足工藝過程的需求。

［1］王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：91.

［2］劉寶慶，張義壟，劉景亮，等.新型同心雙軸攪拌器功率與混合特性的數(shù)值模擬［J］.化工學(xué)報，2013，64（4）：1135-1144.

［3］嚴(yán)小生，邵洪根，李強(qiáng).基于CFD方法的啶蟲脒結(jié)晶釜攪拌器優(yōu)化設(shè)計［J］.化工與醫(yī)藥工程，2014，35（2）：44-46.

［4］龐向飛，梁紅野，陳彥澤.用數(shù)值模擬方法和LDV測量研究攪拌槽中高黏度流體的流速分布［J］.化工管道與設(shè)備，2003，40（5）：14-17.

［5］戴干策，陳敏恒.化工流體力學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：267-272.

Flow Characteristics Research on Agitator of Six-flat-blade-disc Turbine

Liu YuanWang Lugang

With the same power consumption，the computational fluid dynamics（CFD）simulation is applied to study the velocity vector distribution，shear rate distribution and circulation capability of the stirred tank equipped with the agitator of the six-flat-blade-disc turbine under three different combinations of the impeller diameters and stirring speeds.The results indicate that the shear rate and circulation capability changes with the variation of the impeller diameter and stirring speed.

Turbine；Agitation；Computational fluid dynamics；Shear rate；Circulation capability；Flow characteristics

TQ 051.7+2

2015-04-09）

*劉源，女，1980年生，工程師。杭州市，310012。