周三平，蔡 嬋，谷 平

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

設(shè)備與自控

新型擋板對(duì)攪拌特性的影響研究

周三平，蔡 嬋，谷 平

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

本文提出了一種中間斷開(kāi)并錯(cuò)開(kāi)一定距離、傾斜15°的新型擋板，運(yùn)用計(jì)算流體力數(shù)值模擬軟件Fluent，分別對(duì)常規(guī)擋板和新型擋板攪拌釜在相同條件下的液-固攪拌過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，新型擋板不僅可以提升攪拌釜中固體顆粒分布的均勻度、流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度和槳葉上下兩個(gè)循環(huán)速度，從而提高攪拌的混合效果，而且可以降低攪拌釜的攪拌功率，是一種性能優(yōu)良的擋板。

擋板；攪拌釜；攪拌特性；數(shù)值模擬

攪拌釜在醫(yī)藥、染料、食品、冶金、廢水處理及合成材料等工業(yè)生產(chǎn)中占有相當(dāng)重要的地位，主要用于混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收和傳熱等操作單元。由于攪拌操作的特點(diǎn)，打漩現(xiàn)象伴隨整個(gè)攪拌過(guò)程，使得液體隨槳葉旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下涌向內(nèi)壁面并上升，中心部分液面下凹，形成漩渦。隨轉(zhuǎn)速增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，外面空氣進(jìn)入槳葉被吸到液體中，使其密度減小，混合效果降低。

要解決上述問(wèn)題，通常是在器壁安裝一定數(shù)量的擋板，擋板數(shù)量需滿足全擋板條件[1]，一般安裝4塊擋板就能滿足要求。擋板能阻截液相切向流而使其形成軸向流或徑向流，造成從釜頂?shù)礁椎难h(huán)，有效抑制液面下凹現(xiàn)象。

針對(duì)擋板，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)很多研究并進(jìn)行了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)[2-12]，分析、解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)各有不同，都極具借鑒參考價(jià)值。常規(guī)擋板對(duì)打漩的抑制有一定的效果，但仍有較大的改進(jìn)空間。本文以常見(jiàn)的液-固攪拌釜中的擋板為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，一是將常規(guī)擋板從中間分開(kāi)，分為上下二塊擋板；二是上下兩塊擋板逆著流體的旋轉(zhuǎn)方向傾斜一個(gè)角度15°，并錯(cuò)開(kāi)一個(gè)間距230mm，如圖1所示。這樣做的目的一方面可以給因?yàn)榇蜾龆赝搀w壁面處上升的液面一個(gè)向下的導(dǎo)向力，以抑制表面中心的液面下凹，另一方面，使得筒體壁面處區(qū)域的流體呈現(xiàn)S狀上下循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而增加筒體壁面處液體的湍動(dòng)程度。

圖1 擋板結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究改進(jìn)后的新型擋板的攪拌效果，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件Fluent，對(duì)裝有新型擋板的攪拌釜的攪拌效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與裝有傳統(tǒng)擋板的攪拌釜進(jìn)行對(duì)比研究。

1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

為便于對(duì)比分析，分別將裝有4塊常規(guī)擋板和4組新型擋板的攪拌釜幾何模型稱為模型1、模型2，如圖2（a）、（b）所示。兩個(gè)模型的攪拌釜和攪拌槳的尺寸完全相同，如圖3所示。釜體內(nèi)徑Di=φ1800mm，釜內(nèi)液位高度H=1800mm。所用攪拌槳為六平葉槳結(jié)構(gòu)，槳葉外徑φ900mm，內(nèi)徑φ300mm，槳葉寬度260mm，厚度10mm，槳葉距底部高度750mm，如圖3所示。兩模型的擋板寬度相同，且寬度w=Di/10，擋板厚度10mm，模型1的擋板長(zhǎng)度1800mm，擋板數(shù)為4；模型2的上下層擋板長(zhǎng)度均為920mm，保證擋板傾斜安裝后在垂直方向的高度同模型1相同，如圖1所示。忽略攪拌軸對(duì)流場(chǎng)的影響。

圖2 攪拌釜幾何模型

圖3 攪拌釜結(jié)構(gòu)及幾何尺寸

1.2 網(wǎng)格劃分

整個(gè)求解區(qū)域分為動(dòng)區(qū)、靜區(qū)兩部分。因?yàn)閿嚢韪獌?nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高網(wǎng)格的質(zhì)量，采用Workbench中Meshing模塊中的Cut-cell單元離散，并對(duì)槳葉周圍區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。為了確定網(wǎng)格劃分的數(shù)量，以槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向速度為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性檢測(cè)，結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)到達(dá)55萬(wàn)以后，軸向速度隨網(wǎng)格單元數(shù)的增加變化很小，最終模型的離散節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)如表1所示。

圖4 各模型網(wǎng)格劃分

表1 模型節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

攪拌釜內(nèi)初始時(shí)上部是水，高度1584mm，下部為固相沙礫，高度216mm，固相高度占整個(gè)液固兩相總體高度H的12%。攪拌開(kāi)始以后，固體顆粒分散在水中，其中的連續(xù)相是水，分散相是固體顆粒。

2.1 連續(xù)相流體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

連續(xù)相流動(dòng)遵循流體流動(dòng)的連續(xù)性方程（1）和動(dòng)量守恒方程（2）。

式中：αi、ρi、Ui分別為固-液相體積分?jǐn)?shù)、密度和速度矢量。

離散相固體顆粒的動(dòng)量方程為：

其中下標(biāo)l、s分別代表液相和固相；p、g分別為相壓力與重力加速度；為雷諾應(yīng)力；Fex為固-液相之間的相互作用力，一般包括曳力、虛擬質(zhì)量力、升力等。

2.2 多相流模型

對(duì)液-固混合攪拌過(guò)程，可采用多相流模型中的Euler-Euler雙流體模型進(jìn)行模擬，即將固體顆粒作為擬流體處理，認(rèn)為流體與顆粒之間是相互滲透的連續(xù)介質(zhì)，分別求解每一相的控制方程。參考Tatterson等[13]的研究，當(dāng)固相與液相密度之比大于2時(shí)，兩相之間作用力主要為曳力，且固相體積分?jǐn)?shù)較低，因此液-固兩相之間動(dòng)量傳遞系數(shù)用Wen-Yu模型[14]定義。

2.3 邊界條件與計(jì)算方法

數(shù)值模擬采用多重參考坐標(biāo)系法（MRF），將槳葉及周圍區(qū)域設(shè)置為動(dòng)區(qū)，其內(nèi)部流體與攪拌槳以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速100r·min-1；其余區(qū)域?yàn)殪o區(qū)。槳葉壁面設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面條件；攪拌釜內(nèi)壁定義為無(wú)滑移邊界條件；顆粒直徑為0.01mm，密度2500kg·m-3。

壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，壓力方程采用PRESTO!，其余方程均采用二階迎風(fēng)格式。壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，計(jì)入重力影響。攪拌釜一般為不連續(xù)操作，采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。攪拌過(guò)程中，流體在攪拌槳的作用下做旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，導(dǎo)致流動(dòng)分離和二次流，壓力梯度大，可以選用帶旋流修正的Realizable k-ε湍流模型。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

攪拌釜的攪拌效果可以通過(guò)固體顆粒分布的均勻程度、流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度以及流體上下循環(huán)速度的大小來(lái)衡量。

3.1 固體顆粒體積濃度分布

固體顆粒分布的均勻程度可以通過(guò)固體顆粒的體積濃度分布來(lái)表征。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在半徑r=180mm處畫(huà)出了不同高度的固體顆粒的體積濃度分布曲線如圖5所示（為了清晰地看出研究點(diǎn)與釜體半徑R的相對(duì)位置關(guān)系，圖中用r/R表示，此時(shí)r/R=0.2，高度也一樣，用距底端的距離z與整個(gè)液面距底端的距離H之比z/H表示）。由圖5可見(jiàn)，隨軸向高度的增加，固體顆粒的體積濃度分?jǐn)?shù)趨于下降，模型2比模型1的固相體積濃度下降緩慢。這主要?dú)w功于新型擋板對(duì)流體循環(huán)的強(qiáng)化作用。

圖5 r/R=0.2處不同高度的固相顆粒濃度分布曲線

圖6示出了兩種模型的軸截面固體顆粒體積濃度分布云圖。由圖6可以看出，模型1底部固相體積濃度高于上部，說(shuō)明固體顆粒即使通過(guò)攪拌，也有很大一部分沉積在下部區(qū)域，還有很大一部分沒(méi)有循環(huán)到上部，混合效果不太好。而模型2則固相上下分布較為均勻，攪拌釜底部固體顆粒無(wú)明顯堆積現(xiàn)象，說(shuō)明新型擋板對(duì)混合的提升效果明顯。

圖6 軸截面固相體積濃度云圖

3.2 湍動(dòng)程度分析

湍動(dòng)能的大小可以表征出流體流動(dòng)湍動(dòng)程度的大小，湍動(dòng)能使得固相顆粒獲得足夠的懸浮動(dòng)力，固相顆粒均勻懸浮不僅受到釜內(nèi)流體的循環(huán)流動(dòng)作用，也需要較強(qiáng)的湍流作用。湍動(dòng)程度受攪拌釜內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)影響很大。圖7為模型1、2在軸截面上的湍動(dòng)能云圖，由圖可見(jiàn)，受到攪拌槳持續(xù)的攪動(dòng)作用，槳葉附近的湍動(dòng)能較大，再向周邊的流體傳播，所以遠(yuǎn)離槳葉，湍動(dòng)能變小。可看出模型2在擋板處、攪拌釜頂部和底部的湍動(dòng)能均比模型1大，說(shuō)明新型擋板結(jié)構(gòu)可以提高整個(gè)攪拌釜內(nèi)流體流動(dòng)的湍動(dòng)能。

為了說(shuō)明不同高度的橫截面上流體流動(dòng)的湍動(dòng)能隨半徑的變化規(guī)律，圖8示出了固相區(qū)域內(nèi)z/ H=0.1高度處及液相區(qū)域內(nèi)z/H=0.8高度處（如圖3所示）橫截面上的湍動(dòng)能隨半徑的變化規(guī)律。由圖8（a）可以看出，在固相區(qū)域內(nèi)，新型擋板對(duì)筒壁處附近區(qū)域的流體流動(dòng)湍動(dòng)程度提升作用明顯。由圖8（b）可以看出，在液相區(qū)域內(nèi)，新型擋板對(duì)流體流動(dòng)湍動(dòng)程度的提升作用擴(kuò)大到整個(gè)橫截面上。

圖7 軸截面湍動(dòng)能云圖

圖8 指定高度處湍動(dòng)能沿徑向分布曲線

3.3 速度場(chǎng)分析

六平葉渦輪槳攪拌釜在攪拌過(guò)程中會(huì)形成以槳葉為分界面的上下兩個(gè)軸向循環(huán)流場(chǎng)，如圖9所示。圖10、11分別為兩種模型在固定徑向位置r/R=0.1時(shí)軸向速度沿高度的分布曲線，和在固定高度z/ H=0.1、z/H=0.8時(shí)軸向速度沿徑向的分布曲線。

由圖10、11（a）可以看出，攪拌釜的下部區(qū)域，中心部分的流體速度大于零，流體向上運(yùn)動(dòng)，外圓部分的流體速度小于零，流體向下運(yùn)動(dòng)。由圖10、11（b）可以看出，攪拌釜的上部區(qū)域，中心部分的流體速度小于零，流體向下運(yùn)動(dòng)，外圓部分的流體速度大于零，流體向上運(yùn)動(dòng)，這與圖9所示的攪拌釜內(nèi)的上下兩個(gè)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)一致，表明數(shù)值模擬的結(jié)果正確。由圖11（a）可以看出，在攪拌槳之下的下部區(qū)域，裝有新型擋板的上下循環(huán)速度比裝有常規(guī)擋板的上下循環(huán)速度大。由圖11（b）可以看出，在攪拌槳之上的上部區(qū)域，裝有新型擋板的上下循環(huán)速度比裝有常規(guī)擋板的上下循環(huán)速度大。因此，以攪拌槳為界的上下兩個(gè)區(qū)域，新型擋板流體的上下循環(huán)速度有明顯的提升作用，因而有助于提升攪拌釜的的混合效果。

圖9 攪拌釜軸向循環(huán)示意圖

圖10 r/R=0.1處不同高度的軸向速度分布曲線

圖11 指定高度處軸向速度分布曲線

3.4 阻力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，讀取模型1、模型2的阻力力矩分別為1615.5N·m、1584.8N·m，由此可見(jiàn)，由于新型擋板中間斷開(kāi)錯(cuò)開(kāi)，增加了流體流動(dòng)通道，使得其攪拌阻力相比常規(guī)擋板有所減少，當(dāng)然其攪拌功率也會(huì)減少。

4 結(jié)論

1）相對(duì)于常規(guī)擋板，新型擋板可以提升固體顆粒在流體中的分布均勻程度，攪拌釜底部固體顆粒堆積現(xiàn)象不明顯，對(duì)攪拌混合的提升效果明顯；

2）新型擋板可以提升攪拌槳下部區(qū)域筒壁處區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度，可以提升攪拌槳上部區(qū)域整個(gè)橫截面上流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度；

3）以攪拌槳為界的上下兩個(gè)區(qū)域，新型擋板攪拌釜的上下循環(huán)速度比常規(guī)擋板攪拌釜的上下循環(huán)速度大，對(duì)攪拌的混合作用強(qiáng)；

4）新型擋板不僅可以提升攪拌釜的混合功能，而且可以降低攪拌釜的攪拌功率，是一種性能優(yōu)良的擋板。

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Study on Influence of New Baffle on Stirring Characteristics

ZHOU Sanping, CAI Chan, GU Ping
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

A new type of 15°tilt baffl e which was intermediately disconnected and staggered a certain distance, was put forward in this paper. The numerical simulation of the liquid-solid mixing process of the conventional baffl e and the new baffl e stirred tank was carried out by using the numerical simulation software Fluent. Results showed that the new baffle could not only enhance the distribution uniformity of solid particles in stirred tank, turbulence degree of fl uid fl ow and circulation speed up and down the blades, so as to improve the mixing effect of stirring, but also could reduce the stirring power in stirred tank, so the new baffl e had an excellent performance.

baffl e; stirring tank; stirring characteristics; numerical simulation

TQ 051.7

A

1671-9905(2017)03-0040-05

周三平，西安石油大學(xué)教授，研究方向：化工過(guò)程機(jī)械

2017-01-09