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        成球過程中三相物料運(yùn)動(dòng)流場仿真

        2022-09-02 09:20:48楊建興許燦啟賈永杰
        化工機(jī)械 2022年4期
        關(guān)鍵詞:成球釜內(nèi)攪拌器

        楊建興 楊 斌 許燦啟 賈永杰

        (1.西安近代化學(xué)研究所;2.西北大學(xué)化工學(xué)院)

        球形發(fā)射藥裝藥密度高、流散性好,可大幅提高彈藥的體積能量密度, 一直是小口徑槍、榴彈發(fā)射器及迫擊炮等輕武器的主裝發(fā)射藥[1,2]。推進(jìn)劑的球形藥澆鑄工藝中的雙基球形藥,制備工藝均采用內(nèi)溶法成球工藝[3~5]。內(nèi)溶法成球工藝是將硝化纖維素(或吸收藥)、水、乙酸乙酯加入到成球釜內(nèi),通過攪拌漿葉的強(qiáng)力攪拌,物料被溶解成具有一定粘度的高分子溶液,隨之被攪拌粉碎成細(xì)小的液滴,液滴與水不相溶,在表面張力的作用下,形成球形,再通過升溫,使乙酸乙酯汽化脫溶,液滴脫溶變硬形成球形藥粒[4~10]。 整個(gè)脫溶過程氣(乙酸乙酯氣體)液(水)顆粒(雙基藥粒)三相共存,是一個(gè)三相傳質(zhì)、傳熱的過程。

        關(guān)于成球溫度、成球時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速及溶劑比等對(duì)球形藥質(zhì)量的影響已經(jīng)開展了大量試驗(yàn)研究,總結(jié)了相關(guān)規(guī)律[6~10],但關(guān)于成球釜內(nèi)物料的氣液固三相分布、運(yùn)動(dòng)流場方面的分析研究未見公開報(bào)道。 筆者采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了成球釜內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)流場仿真,獲取了整個(gè)成球釜內(nèi)的流場信息,如相分布、流線分布、流場分布和三相之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)成球釜內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究和成球釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。

        1 CFD 模型概述

        1.1 成球釜內(nèi)物料流場模擬假設(shè)條件

        物料在攪拌器的帶動(dòng)下在成球釜內(nèi)連續(xù)流動(dòng),球形藥粒均勻分散在水中,熱量從壁面通過水介質(zhì)快速傳遞給藥粒,使其升溫,固相藥粒中的乙酸乙酯不斷汽化脫離藥粒,通過成球釜上封頭的排氣口流出。 成球釜內(nèi)料液的流動(dòng)特性(如停留時(shí)間、混合效率及湍動(dòng)強(qiáng)度等)直接決定了固相藥粒脫溶效果。

        成球釜運(yùn)行中釜內(nèi)氣液顆粒三相共存,工質(zhì)受熱升溫后固相藥粒中所含的乙酸乙酯不斷發(fā)生汽化脫溶過程。

        為了簡化計(jì)算,可以忽略汽化效應(yīng),以恒定密度藥粒流入和流出成球釜過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡、體積分?jǐn)?shù)和溫度分布為基準(zhǔn),分析成球釜內(nèi)攪拌器的擋板作用。

        1.2 計(jì)算模型的選擇

        選擇雙精度瞬態(tài)質(zhì)量可傳遞歐拉多相流模型進(jìn)行氣液顆粒三相的模擬, 其中基本相為液相,工質(zhì)為液態(tài)水;氣相是乙酸乙酯蒸汽;顆粒相為雙組分藥粒,一半成分為乙酸乙酯,另一半成分為雙基發(fā)射藥,其中,乙酸乙酯為可揮發(fā)分組分,受熱時(shí)會(huì)從顆粒相中揮發(fā)出來,轉(zhuǎn)化為氣態(tài)乙酸乙酯。 同時(shí),為了更精確地分析攪拌器和壁面擋流板對(duì)流場的相互作用、顆粒相的沉積和分離情況,模擬采用了滑移網(wǎng)格模型(一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)格模型)來處理攪拌器的運(yùn)動(dòng)。

        1.3 網(wǎng)格劃分

        模擬采用混合網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,包括攪拌器在內(nèi)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格部分采用多面體(足球結(jié)構(gòu))網(wǎng)格,如圖1a、b 所示, 外圍的靜態(tài)網(wǎng)格部分采用六面體網(wǎng)格,如圖1c 所示。

        圖1 網(wǎng)格劃分

        1.4 湍流模型

        計(jì)算采用了各向異性的k-omega 湍流模型對(duì)流動(dòng)的湍流現(xiàn)象進(jìn)行模擬。 相比常用的各向同性k-epsilon 湍流模型,k-omega 模型中,湍流在各個(gè)方向的脈動(dòng)不再是簡單的各向完全正比于速度大小,它考慮了不同方向速度的影響和相互耦合作用,計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確[11~15]。

        1.5 計(jì)算方法與離散格式

        計(jì)算采用了相間耦合的simple 方法對(duì)全場流動(dòng)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。 時(shí)間格式采用一階隱式格式;為了保證計(jì)算能夠穩(wěn)定順利進(jìn)行,運(yùn)動(dòng)方程、能量方程、組分方程和湍流方程都采用了低階離散格式——一階迎風(fēng)格式;為了盡可能地捕捉液相和氣相界面, 相體積格式采用了HRIC 離散格式,該格式能較好地捕捉氣液界面,但是仍然不能捕捉到銳利的自由液面,由于計(jì)算模型的限制,這已經(jīng)是在隱式多相流模型下最好的體積離散格式。

        1.6 邊界條件

        邊界條件見表1。

        表1 邊界條件

        壁面溫度設(shè)定為70 ℃, 攪拌器旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為300 r/min,方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。 顆粒相平均粒徑設(shè)為1 mm。

        1.7 初始條件

        對(duì)時(shí)間步長和計(jì)算時(shí)間進(jìn)行選擇。 歐拉多相流計(jì)算的收斂一直是個(gè)難題,網(wǎng)格選用六面體和多面體,盡量不選用四面體網(wǎng)格;時(shí)間步長不能太長,否則計(jì)算不僅難以收斂,甚至?xí)玫讲缓侠淼挠?jì)算結(jié)果。 筆者在計(jì)算中使用六面體和多面體網(wǎng)格, 時(shí)間步長控制在1/10000~5/10000 s 之間,以保證每個(gè)時(shí)間步長的計(jì)算能在20 次迭代之內(nèi)收斂, 也就是說每1 s 工藝時(shí)間, 要進(jìn)行2 000~10 000 次時(shí)間步長的迭代。 本次仿真使用了16個(gè)至強(qiáng)處理器進(jìn)行并行計(jì)算,計(jì)算30 s 工藝時(shí)間。

        1.8 計(jì)算穩(wěn)定的判斷

        從前面的分析已經(jīng)知道,進(jìn)行全物理時(shí)間尺度的計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的,只能從假定的一個(gè)比較接近穩(wěn)定狀態(tài)的初場開始進(jìn)行計(jì)算,然后監(jiān)控成球釜內(nèi)的動(dòng)態(tài)流場的變化,當(dāng)流場出現(xiàn)規(guī)律性變化時(shí),認(rèn)為流場基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),然后在某個(gè)時(shí)刻停止計(jì)算,分析成球釜內(nèi)的流場。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 液相、氣相、顆粒相的三相體積比分布

        氣相、液相、顆粒相的三相體積比分布云圖分別如圖2a、b、c 所示,在任意位置,三相體積比之和為1。

        圖2 三相體積比分布云圖

        2.2 流線分布

        成球釜內(nèi)整體流線分布如圖3 所示,在計(jì)算模型中產(chǎn)生縱截面, 讓流線從這個(gè)縱截面出發(fā),然后觀察流線分布。

        圖3 成球釜內(nèi)三相物料流線分布云圖

        結(jié)合三相體積比分布云圖和流線分布云圖可以看出,成球釜內(nèi)大致可以分為以下3 個(gè)流動(dòng)區(qū)域:

        a. 第1 個(gè)流動(dòng)區(qū)域位于成球釜的上部,主要是揮發(fā)出的氣態(tài)乙酸乙酯聚集在一起,主要流動(dòng)呈圓周繞行趨勢,稱之為氣相區(qū)域;

        b. 第2 個(gè)區(qū)域是氣相區(qū)域和液相區(qū)域的界面附近,稱之為過渡區(qū)域,該區(qū)域由于三相相互作用,流動(dòng)具有一定的隨機(jī)性;

        c. 第3 個(gè)流動(dòng)區(qū)域位于成球釜的下部,主要成分是液相和顆粒相的混合物,夾雜微量的被裹挾的氣相物質(zhì), 該區(qū)域是筆者研究的主要區(qū)域,雖然是液相和顆粒相的混合物,但是呈現(xiàn)液態(tài)流動(dòng),在文中被稱為液相區(qū)域(注意與液相區(qū)分),該區(qū)域流動(dòng)復(fù)雜,但是規(guī)律性較強(qiáng)。

        氣相區(qū)域流線分布如圖4 所示。 在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面1,讓流線從橫截面1 出發(fā),然后觀察流線分布。 橫截面1 位于氣相區(qū)域,絕大部分流線會(huì)持續(xù)在氣相區(qū)域旋轉(zhuǎn);接觸到液相和顆粒相后,流線跟隨液相和顆粒相進(jìn)入下半部,但數(shù)量較少,絕大部分流線碰到攪拌器終止;橫截面1出發(fā)的流線顯示氣相與液相有輕微的相互作用,在液相上層會(huì)發(fā)生少量摻混。

        圖4 氣相區(qū)域流線圖

        過渡區(qū)域流線分布如圖5 所示。 在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面2,讓流線從橫截面2 出發(fā),然后觀察流線分布。 橫截面2 位于氣液界面相區(qū)域,部分流線會(huì)保持在氣相區(qū)域流動(dòng),但是流線走向明顯受到液相影響,只有部分進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn),還有部分氣相明顯跟隨液相變向而變向;剩余部分流線跟隨液相和顆粒相進(jìn)入下半部,相較于橫截面1 出發(fā)的數(shù)量增加明顯, 大部分流線碰到攪拌器終止;橫截面2 出發(fā)的流線顯示氣相與液相有明顯相互作用,在液相上層會(huì)發(fā)生明顯摻混。

        圖5 過渡區(qū)域流線圖

        液相區(qū)域流線分布如圖6 所示。 在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面3,讓流線從橫截面3 出發(fā),然后觀察流線分布。 橫截面3 已經(jīng)全部位于液相區(qū)域,只有小部分流線由于氣液相互作用進(jìn)入氣相區(qū)域; 絕大部分流線都會(huì)在中心位置向下進(jìn)入液相區(qū)域,在攪拌器的作用下,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):第1 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沿周向進(jìn)行,第2 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是在離心力的作用下, 在成球釜下部沿徑向向外甩出然后在壁面的作用下向上翻轉(zhuǎn),并且在擋流板的阻流下,在液相上部重新進(jìn)入向下攪拌區(qū)域。

        圖6 液相區(qū)域流線圖

        2.3 流場分布

        在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面,讓流線從這個(gè)截面出發(fā),然后觀察流場分布。 圖7 為成球釜5 個(gè)橫截面流場圖,分別為氣相區(qū)域、過渡區(qū)域、液相區(qū)域的流場分布圖。

        圖7 成球釜內(nèi)物料流場分布

        第1 橫截面(氣相區(qū)域)。 這個(gè)截面位于氣相區(qū)域,除了液相和顆粒相掉落下來的位置,都沒有顆粒相,也沒有顆粒相速度,所以只在進(jìn)口的下方有小塊區(qū)域有顆粒相速度, 在重力的作用下,幾乎垂直向下。

        第2 橫截面(過渡區(qū)域)。 這個(gè)截面位于氣液界面區(qū)域,顆粒相濃度不大,可以清楚地看到擋流板強(qiáng)行改變了顆粒相的周向運(yùn)動(dòng)軌跡,使其向中心方向運(yùn)動(dòng),以便向下沉積。

        第3 橫截面(液相區(qū)域)。 這個(gè)截面位于液相區(qū)域,可以清楚地看到擋流板強(qiáng)行改變了顆粒相的周向運(yùn)動(dòng)軌跡,使其向中心方向運(yùn)動(dòng),以便向下沉積。

        第4 橫截面(液相區(qū)域)。 這個(gè)截面位于液相區(qū)域,可以清楚地看到擋流板強(qiáng)行改變了顆粒相的周向運(yùn)動(dòng)軌跡,使其向中心方向運(yùn)動(dòng),以便向下沉積;而在周圍,顆粒相則在徑向軸向環(huán)流中向上翻滾。

        第5 橫截面(液相區(qū)域)。 這個(gè)截面位于液相區(qū)域,可以清楚地看到在中間區(qū)域,由于攪拌器的作用,顆粒相有力地向下沉積,同時(shí)具有較強(qiáng)的周向運(yùn)動(dòng);而在周圍,顆粒相則在徑向軸向環(huán)流中向上翻滾。

        3 結(jié)論

        3.1 在成球釜?dú)庀鄥^(qū)域,主要流動(dòng)為氣相呈圓周方向繞流。

        3.2 在成球釜過渡區(qū)域,三相相互作用,在液相的表面及附近區(qū)域,液相和顆粒相由于受到壁面擋流板的阻流作用, 周向繞流會(huì)周期性地被破壞,產(chǎn)生向成球釜中心方向的流動(dòng),在中心處,由于密度差異和攪拌器的作用,顆粒相和液相都會(huì)形成旋渦向成球釜底部流動(dòng),并且顆粒相會(huì)發(fā)生分離和沉積, 同時(shí)少量氣相被裹挾進(jìn)入液相區(qū)域;這個(gè)區(qū)域的氣相流動(dòng)明顯受液相和顆粒相影響,并不完全呈現(xiàn)周向繞流,而是會(huì)跟隨液相和顆粒相向中心流動(dòng), 只有當(dāng)氣相繼續(xù)向上升浮,才會(huì)逐漸完全形成周向繞流。

        3.3 在成球釜液相區(qū)域,在中心處,液相和顆粒相會(huì)向下沉積,然后在攪拌器葉片區(qū)域,由于受攪拌器的攪拌作用會(huì)被甩向外圍,同時(shí)還具有周向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢;由于密度差異,被甩向外圍的液相和顆粒相會(huì)發(fā)生明顯的分離,然后在壁面和擋流板的作用下,液相和顆粒相會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向徑向-軸向面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 然后在靠近中心位置再次沉積,形成循環(huán)流動(dòng)。 所以,液相區(qū)域的流動(dòng)就是徑向-軸向平面上的旋轉(zhuǎn)環(huán)在周向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)環(huán)首尾相連,形成螺旋線。 在攪拌器的底部,由于顆粒相的密度較大,明顯形成一個(gè)顆粒相的沉積區(qū)域。 在攪拌器葉片的工作面和擋流板的背面會(huì)形成一個(gè)顆粒相體積比較小的區(qū)域,這個(gè)區(qū)域隨著攪拌器的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。

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