劉培坤 張 瑞 楊興華 張悅刊 胡兆文

(山東科技大學機電工程學院)

渦輪式與推進式攪拌釜的數(shù)值模擬研究①

劉培坤 張 瑞 楊興華 張悅刊 胡兆文

(山東科技大學機電工程學院)

采用CFD技術(shù)對渦輪式和推進式攪拌釜進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：當轉(zhuǎn)速為100r/min時，渦輪式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為3.10m/s，推進式的最高速度為2.36m/s，但推進式攪拌釜釜內(nèi)流體的平均速度高于渦輪式的；在循環(huán)流區(qū)域，推進式攪拌釜釜內(nèi)的湍動能數(shù)值范圍為0.042 9～0.856 0m2/s2，渦輪式的為0.017 6～0.035 2m2/s2，推進式槳葉的流體排出性能更強；推進式攪拌釜釜頂、釜中和釜底處的混合時間比渦輪式分別縮短了34%、39%、54%，提高了混合效率。

攪拌釜 渦輪式 推進式 CFD 混合時間

攪拌設備在化工、石油、冶金、水處理及造紙等行業(yè)中應用廣泛。攪拌器按流體流動形式可分為軸向流型和徑向流型[1]，軸向流型攪拌器(如推進式攪拌釜)具有循環(huán)能力強、動力消耗低等優(yōu)點，徑向流型攪拌器(如渦輪式攪拌釜)具有徑向排量大、分散能力強等優(yōu)點。推進式和渦輪式攪拌釜因制造簡單、混合效果好被廣泛應用于攪拌工藝中，因此深入分析這兩種攪拌釜釜內(nèi)流體的流動特性對攪拌設備的選擇具有重要意義。

目前，對攪拌釜的實驗和理論研究已有很多，但相關的理論和設計計算方法仍不完善，并且在高溫、高壓等復雜情況下，在實驗室很難得到所需的詳細信息，不能準確指導工業(yè)實踐[2]。20世紀80年代，國內(nèi)外開始采用激光多譜勒測速儀LDV來測量攪拌釜的內(nèi)部流場，但LDV僅提供了排出流量準數(shù)、時均速度及脈動速度等參數(shù)，而不能從本質(zhì)上認識混合與流動[3]。厲鵬等采用先進的粒子成像測速儀PIV，可以瞬時得到整個流場分布，然而PIV技術(shù)還不完善，尚處于應用初期，無法測量高速湍流下的湍流參數(shù)[4]。

筆者采用CFD技術(shù)對推進式和渦輪式攪拌釜進行了數(shù)值模擬。在相同條件下，通過模擬推進式和渦輪式攪拌釜釜內(nèi)流體的速度分布、湍動能分布和混合時間，分析比較兩種攪拌釜的流體流動特性、排出性能和混合效率。

1 計算模型與模擬方法

1.1 物理模型

渦輪式和推進式攪拌釜的模型結(jié)構(gòu)如圖1所 示。兩種攪拌釜釜體結(jié)構(gòu)相同，釜徑1.8m，高2.5m，槳徑0.6m，釜壁設置6個擋板，底部采用橢圓形封頭。

b. 推進式

1.2 網(wǎng)格劃分

采用Gambit對攪拌釜模型進行網(wǎng)格劃分，槳葉相對于釜體來說結(jié)構(gòu)相對復雜，因此攪拌釜內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方法，動子區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，槽內(nèi)其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖2為渦輪式和推進式攪拌釜的網(wǎng)格劃分。渦輪式攪拌釜網(wǎng)格總數(shù)為471 910，推進式攪拌釜網(wǎng)格總數(shù)為461 969。

a. 渦輪式

b. 推進式

1.3 模擬方法

流體在攪拌釜中的流動屬于三維、粘性、不可壓縮流動，湍流中流體速度、壓力及溫度等物理參數(shù)都隨時間、空間發(fā)生隨機變化，對湍流最根本的模擬方法是在湍流尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)求解瞬態(tài)三維Navier-Stokes方程[5]。對于湍流模擬，筆者采用雷諾時均模擬。攪拌釜內(nèi)的動區(qū)域與靜區(qū)域是隨時間變化的，為解決運動槳葉和靜止擋板之間的相互作用，研究學者們提出了不同的解決辦法，主要有“黑箱”模型法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法和滑移網(wǎng)格法。筆者采用多重參考系法進行動靜區(qū)域的模擬，其優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌釜內(nèi)流動場的整體數(shù)值模擬，該方法適合預測槳葉擋板相互作用較小的體系，其時均結(jié)果對強相互作用的情況也較好[6]。

壓力與速度的耦合方式采用SIMPLE算法。控制方程、k-ε方程的離散均采用一階迎風格式。釜內(nèi)介質(zhì)為水，攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 速度矢量分布和漩渦分布

在相同轉(zhuǎn)速下對渦輪式和推進式攪拌釜的釜內(nèi)流體速度進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

a. 渦輪式

b. 推進式

由圖3可知，在相同轉(zhuǎn)速下，渦輪式攪拌釜釜內(nèi)流體在攪拌槳葉區(qū)域的速度較高，最高速度為3.10m/s，推進式攪拌釜的最高速度為2.36m/s，且高速區(qū)分布范圍明顯小于渦輪式。在遠離槳葉的區(qū)域，兩種攪拌釜的釜內(nèi)流體速度范圍差異較小，均介于0.12～0.77m/s之間。推進式攪拌釜釜內(nèi)流體的平均速度高于渦輪式，說明推進式在增強混合方面效果更好。

對于渦輪式攪拌釜(圖3a)，其徑向渦流較多，在兩層槳葉之間有大湍流形成，在上層攪拌槳葉上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產(chǎn)生，大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主。對于推進式攪拌釜(圖3b)，主要以軸向流為主，在遠離攪拌槳葉區(qū)域有較大的軸向漩渦產(chǎn)生，有利于上下層介質(zhì)交換、提高混合效率。

兩種攪拌釜的底層槳葉下部都出現(xiàn)了速度死區(qū)，該區(qū)域的流動速度極小，物質(zhì)的傳遞和混合主要通過自由擴散進行。攪拌過程中會混有少量空氣，底部攪拌死區(qū)的形成是流場循環(huán)和底層槳葉的持氣特性共同導致的。渦輪式攪拌釜的底部速度高于推進式，因此攪拌釜底部具有一定的徑向流動可減小死區(qū)區(qū)域范圍。

2.2 湍動能分布

攪拌釜內(nèi)流體的湍動能及其耗散率分布對于宏觀和微觀混合非常重要，因為湍動能表征了速度脈動的強度，它控制著流體的微團尺寸。

攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min，對渦輪式和推進式攪拌釜釜內(nèi)的湍動能進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示。可以看出，渦輪式攪拌釜釜內(nèi)湍動能分布極不均勻，主要集中在攪拌槳區(qū)和槳尾流區(qū)，范圍為0.070～0.352m2/s2。攪拌釜釜壁和釜底與液面鄰接處的湍流能量最小，容易造成該區(qū)域的混合不均勻。相比于渦輪式，推進式攪拌釜內(nèi)部流場 的湍動能分布較均勻，并且湍動能數(shù)值明顯高于渦輪式。在循環(huán)流區(qū)域，推進式攪拌釜釜內(nèi)的湍動能數(shù)值范圍為0.042 9～0.856 0m2/s2，渦輪式僅為0.017 6～0.035 2m2/s2，推進式攪拌釜釜內(nèi)的湍動能明顯高于渦輪式。因此，在相同條件下推進式攪拌釜的流體排出性能更強，更有利于流體充分混合。

a. 渦輪式

b. 推進式

2.3 混合時間

混合時間是表征攪拌釜釜內(nèi)流體混合狀況的一個重要參數(shù)。在模擬過程中，通常將其中一相設定為示蹤劑，其物理特性與水相同。一般認為，當示蹤劑濃度達到了最終穩(wěn)定濃度值的±5%時，可以判定混合已經(jīng)完成，所用時間即為混合時間[7]。本模擬中對兩種攪拌釜均采用相同位置的加料點和監(jiān)測點(圖5)，攪拌釜容積6 000L。

圖5 加料點和監(jiān)測點位置

為了方便觀察示蹤劑濃度穩(wěn)定值的±5%，得出不同監(jiān)測點的混合時間，筆者將各監(jiān)測點的濃度值最終穩(wěn)定為1，各時間段的示蹤劑濃度除以6.7×10-5，攪拌轉(zhuǎn)速100r/min，兩種攪拌釜不同監(jiān)測點的示蹤劑濃度響應曲線如圖6所示。

圖6 兩種攪拌釜不同監(jiān)測點的示蹤劑濃度響應曲線

兩種攪拌釜的混合時間見表1?？梢钥闯觯?個監(jiān)測點處，推進式攪拌釜的混合時間均比渦輪式的短，分別縮短了34%、39%、54%。這是因為推進式攪拌釜易形成軸向流，軸向流較徑向流更有利于攪拌流場內(nèi)上下區(qū)域介質(zhì)的混合，從而縮短混合時間。因此，相比于渦輪式攪拌釜，推進式攪拌釜的混合效率更高。

表1 兩種攪拌釜的混合時間 s

通過對比兩種攪拌釜的混合時間可以發(fā)現(xiàn)，釜底處的混合時間最短，靠近液面位置的混合時間較長。對于軸向速度而言，圖3中，下層液面的速度高于上層液面，說明下層的混合效率高于上層。但3個監(jiān)測點的混合時間相差不大，說明兩種攪拌釜內(nèi)各處的混合程度比較均勻。

3 結(jié)論

3.1 在相同轉(zhuǎn)速下，渦輪式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為3.10m/s，推進式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為2.36m/s。推進式攪拌釜釜內(nèi)流體的平均速度高于渦輪式，因此在增強混合方面推進式攪拌釜效果更好。

3.2 渦輪式攪拌釜徑向渦流較多。推進式攪拌釜主要以軸向流為主，在遠離攪拌槳葉的區(qū)域有較大的軸向漩渦產(chǎn)生，有利于上下層介質(zhì)交換、提高混合效率。攪拌釜底部具有一定的徑向流動可減小死區(qū)區(qū)域范圍。

3.3 在循環(huán)流區(qū)域，推進式攪拌釜釜內(nèi)的湍動能數(shù)值范圍為0.042 9～0.856 0m2/s2，渦輪式僅為0.017 6～0.035 2m2/s2，可見軸流型槳葉的流體排出性能更強，更有利于流體充分混合。

3.4 相比于渦輪式攪拌釜，推進式攪拌釜的混合時間分別縮短了34%、39%、54%，證明軸流型槳葉的混合效率更高。

[1] 王凱,馮連芳.混合設備設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[2] 方鍵,桑芝富,楊全保.側(cè)進式攪拌器三維流場的數(shù)值模擬[J].石油機械,2009,37(1):30～34.

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NumericalSimulationofTurbo-typeandPush-typeStirredTanks

LIU Pei-kun, ZHANG Rui, YANG Xing-hua, ZHANG Yue-kan, HU Zhao-wen

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology)

Having CFD technology adopted to simulate turbo-type and push-type stirred tanks was implemented to show that, when the rotational speed is 100r/min, the maximum velocity of the fluid within the turbo-type stirred tank’s blade zone can be 3.10m/s and that in the push-type stirred tank is 2.36m/s, but the mean velocity of the fluid in the push-type tank is higher than that in the turbo-type tank; in the zone of circulating flow, the turbulent kinetic energy of the push-type tank ranges from 0.042 9 to 0.856 0m2/s2with 0.017 6 to 0.035 2m2/s2for the turbo-type tank and the fluid discharge performance of the push-type tank outperforms that of the turbo-type tank; and as compared to the turbo-type tank, the mixing time at the push-type tank’s upper, middle and lower points can be shorten by 34%, 39% and 54% respectively together with an improved mixing efficiency.

stirred tank, turbo-type, push-type, CFD, mixing time

劉培坤(1971-)，教授，從事固液分離技術(shù)與裝備的研究，lpk710128@163.com。

TQ051.7+2

A

0254-6094(2017)01-0084-05

2016-01-28，

2016-03-15)