孫利（鄭州化工與能源有限公司，河南 鄭州 450001）

攪拌設(shè)備使用歷史悠久，大量應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保處理等行業(yè)中[1]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于攪拌器的流場(chǎng)研究已經(jīng)有很多的文獻(xiàn)。畢學(xué)工等[2]使用Fluent對(duì)攪拌工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究槳葉長(zhǎng)度、攪拌頭插入深度及轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌效果的影響。張鎖龍等[3]對(duì)軸流槳及45°三葉折葉槳攪拌流場(chǎng)、功率的測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比及分析，得到了槳葉安裝高度對(duì)槳葉性能的影響。侯權(quán)等[4]對(duì)攪拌反應(yīng)罐流場(chǎng)的各影響因素（如槳間距等）進(jìn)行分析和研究，提出了攪拌反應(yīng)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向和措施。本文基于ANSYS Workbench 13.0 對(duì)新型攪拌器進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，為攪拌器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參數(shù)及有效的分析方法。

1 理論基礎(chǔ)

假設(shè)：攪拌槽內(nèi)流體為穩(wěn)定流動(dòng)，忽略周期湍流。計(jì)算遵循以下定律[5]：

(1)連續(xù)方程：

(2)動(dòng)量方程：

式中ρ 表示流體密度，μ 表示流體速度，P 表示流體靜壓力，ρgi表示重力體積力，F(xiàn)i表示外部作用力所產(chǎn)生的體力，同時(shí)還可以包括其它模型源項(xiàng)或用戶自定義源項(xiàng)，τij表示粘性應(yīng)力張量。

（3）能量方程：

其中方程右邊前三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性耗散項(xiàng)；Sh包括了化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源的源項(xiàng)，Keff表示有效導(dǎo)熱系數(shù)，J'表示組分J'的擴(kuò)散通量，T 表示流體溫度，E表示總能。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

新型攪拌器：新型攪拌器是基于六斜葉攪拌器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。是將矩形葉片改為T 型葉片，因此成為六T 型攪拌器。攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉T 型處的寬度分別為40mm和20mm，槳葉的傾斜角度為45°，槳葉的厚度為4mm。

六斜葉攪拌器：依據(jù)HG/T3796-2005 選取攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉的寬度為40mm，槳葉的傾斜角度為45°，槳葉的厚度為4mm。

六直葉攪拌器：依據(jù)HG/T3796-2005 選取攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉的寬度為40mm，槳葉的厚度為4mm。

設(shè)置攪拌軸直徑為30mm，攪拌罐直徑為600mm，攪拌角速度為5rad/s

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench 13.0 中自帶的方法Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于模型的處理是把攪拌器附近區(qū)域設(shè)為攪拌槳區(qū)，把攪拌罐中其他區(qū)域設(shè)為攪拌槳外區(qū)。攪拌槳區(qū)設(shè)置為直徑為220mm，高50mm 的柱形區(qū)域；攪拌槳外區(qū)設(shè)置為直徑為600mm，高600mm的柱形區(qū)域。

3 攪拌器三維流場(chǎng)分析

3.1 攪拌罐內(nèi)水流速度分布

通過Fluid Flow 對(duì)三種形式的攪拌器進(jìn)行三維流場(chǎng)分析，液流的高速區(qū)主要集中在攪拌槳葉附近，以及在攪拌區(qū)的上下形成的帶狀區(qū)域，攪拌罐的壁面處流速較低攪拌效果不好。新型攪拌器較六斜葉、六直葉攪拌器的混合效果較好，流速分布均勻。

在攪拌器中間截面上液流的高速區(qū)主要集中在攪拌槳葉附近，流速?gòu)臉~處的最大漸變到攪拌罐壁面處零。

3.2 沿軸方向流速變化

通過FLUENT 對(duì)三種攪拌器分別進(jìn)行流場(chǎng)分析，取平行于攪拌軸，且與攪拌軸的距離為0.15m處直線上的流體速度變化。

圖1 0.15m處的流速Fig.1 The flow rate of the 0.15m location

從圖1中可以看出，三種攪拌器在相同的轉(zhuǎn)速下，新型攪拌器（T型葉）在0.15m處的流速比六斜葉攪拌器和六直葉攪拌器的流速高，因此其攪拌混合性能好。

4 新型攪拌器結(jié)構(gòu)分析

將FLUENT 中計(jì)算的新型攪拌器的結(jié)果導(dǎo)入Static Structural中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算攪拌器上的應(yīng)力和變形。

攪拌器在全速航行工況時(shí)，攪拌器的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉根處，最大應(yīng)力值為0.063038MPa。攪拌器的最大位移出現(xiàn)在葉尖處，最大位移量為0.00044013mm。這個(gè)位移量相當(dāng)于攪拌器幾何尺寸是微小量，故本文中未考慮水動(dòng)力和重力引起的槳葉變形對(duì)攪拌器的水動(dòng)力性能的影響。

5 新型攪拌器模態(tài)分析

新型攪拌器靜態(tài)模態(tài)固有頻率與預(yù)應(yīng)力模態(tài)固有頻率在數(shù)值上相差不大，說明流固耦合場(chǎng)對(duì)攪拌器固有頻率影響較小。

新型攪拌器在預(yù)應(yīng)力下進(jìn)行前6 階模態(tài)分析，當(dāng)頻率為57.418Hz 時(shí)，將發(fā)生二階共振二階共振主要形式為揮舞振動(dòng)，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當(dāng)頻率為304.10Hz時(shí)，出現(xiàn)三階共振，三階共振主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

6 結(jié)語

（1）通過新型攪拌器（T型葉）與六斜葉攪拌器、六直葉攪拌器的攪拌性能的對(duì)比得出新型攪拌器的攪拌性能比六斜葉、六直葉攪拌器的攪拌性能好。

（2）基于Workbench13.0 對(duì)新型攪拌器進(jìn)行流固耦合數(shù)值分析得出最大應(yīng)力、最大應(yīng)變都發(fā)生在攪拌器葉片的葉根處，最大應(yīng)力為0.063038MPa，最大變形量發(fā)生在攪拌器葉尖處，最大變形量為0.00044013mm。

（3）基于Modal 對(duì)新型攪拌器進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析得到了其前6 階的固有頻率，當(dāng)攪拌器葉片的頻率為57.418Hz時(shí)發(fā)生二階共振，主要形式為揮舞振動(dòng)，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當(dāng)其頻率為304.10Hz時(shí)出現(xiàn)三階共振，主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出攪拌槳葉片的受力分布形態(tài)和規(guī)律，為進(jìn)一步研究疲勞壽命、斷裂分析和葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

[1]畢學(xué)工，岳銳等.基于Fluent的攪拌模研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.

[2]張鎖龍，沈惠平等.JH型軸流式攪拌槳流場(chǎng)分析及設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程，1999，27（5）：26-29.

[3]侯權(quán)，潘紅良，馮巧波.基于Fluent的攪拌反應(yīng)罐流場(chǎng)的優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21（03）：78-83.

[4]張馳宇，尹俠等.雙層圓盤渦輪式攪拌器的CFX流場(chǎng)模擬[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.