尚 勇，劉家歡，雷 洋，曾永忠

（1.四川省自貢工業(yè)泵有限責(zé)任公司，四川自貢 643031；2.西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039）

底置推進(jìn)器是為實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜、結(jié)晶器等裝置內(nèi)部的結(jié)晶、攪拌循環(huán)而設(shè)計(jì)的底置推進(jìn)設(shè)備，用于完成聚合、縮合、流化、氫化及烴化等化學(xué)過程，適用于流量大、揚(yáng)程低的工況，在化工、石油、食品及醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛。運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，底置推進(jìn)器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠且節(jié)能，能顯著提升產(chǎn)品產(chǎn)能。

反應(yīng)釜內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性的觀察和研究極為繁瑣和困難。通常采用試驗(yàn)的方法對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究，但試驗(yàn)方法存在所需設(shè)備種類多、精度高、專業(yè)性強(qiáng)、成本高、試驗(yàn)周期長及不確定因素多等不足。伴隨云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外諸多學(xué)者廣泛應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法研究輸送流體的旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)及性能，借助計(jì)算機(jī)對(duì)流體機(jī)械流動(dòng)特性進(jìn)行模擬分析日益普及［1-10］。

苗一等［11-12］應(yīng)用 ANSYS-Flent仿真分析軟件，采用RNG k-ε模型，對(duì)串聯(lián)渦輪式攪拌器在反應(yīng)釜中的有效混合時(shí)間進(jìn)行模擬仿真分析，并得出了相應(yīng)規(guī)律。胡躍華［13］對(duì)復(fù)合式攪拌器進(jìn)行了研究及開發(fā)，該設(shè)備對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)能提升有顯著促進(jìn)作用。 JAWORSKI Z 等［14］應(yīng)用 ANSYS-Flent 仿真分析軟件，對(duì)串聯(lián)式渦輪攪拌器進(jìn)行了計(jì)算研究，研究結(jié)果對(duì)提升反應(yīng)釜介質(zhì)混合效率有重要參考價(jià)值。 MICALE G 等［15］借助 ANSYS-Flent 軟件，研究了單級(jí)與多級(jí)槳式葉輪對(duì)反應(yīng)釜中含固介質(zhì)分布特性的影響，并得到了相應(yīng)規(guī)律。

本文借助CFD軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與N-S方程對(duì)反應(yīng)釜三維內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，探討不同推進(jìn)輪對(duì)推進(jìn)器水力性能及反應(yīng)釜內(nèi)流場的影響，并通過試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 反應(yīng)釜三維模型及控制方程

1.1 三維模型及計(jì)算網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計(jì)算模型為底部配置有推進(jìn)器的反應(yīng)釜。底置推進(jìn)器分A型、B型2種，A型推進(jìn)器推進(jìn)輪為槳式葉輪，B型推進(jìn)器推進(jìn)輪為翼型葉輪，推進(jìn)輪三維模型見圖1，推進(jìn)器結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)裝置見圖2。

圖1 2種推進(jìn)輪三維模型

圖2 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)裝置

2種推進(jìn)器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，葉輪外徑D1=1.6 m，葉輪葉片旋轉(zhuǎn)中心至反應(yīng)釜底部距離L=2 m，推進(jìn)器設(shè)計(jì)體積流量qV=13 500 m3/h、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 n=95 r/min、設(shè)計(jì)揚(yáng)程 H=1.2 m，葉輪設(shè)計(jì)效率η=82%。反應(yīng)釜外徑D2=10 m、高度D3=12 m、體積 V=700 m3。

數(shù)值模擬分析計(jì)算域由反應(yīng)釜及推進(jìn)器2部分構(gòu)成，將計(jì)算域?qū)刖W(wǎng)格劃分模塊ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到計(jì)算域網(wǎng)格。推進(jìn)輪三維模型及反應(yīng)釜計(jì)算域網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 推進(jìn)輪三維模型及反應(yīng)釜計(jì)算域網(wǎng)格劃分

1.2 控制方程

1972年 Spalding和 Launder提出標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［16-17］，該半經(jīng)驗(yàn)公式模型由試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)而來，適用于流態(tài)為全湍流的流動(dòng)模擬計(jì)算，具有適用范圍廣、計(jì)算精度高、計(jì)算速度快及穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。該模型首先求解湍動(dòng)能k及湍動(dòng)能耗散率ε，再由k、ε計(jì)算結(jié)果求解出湍流黏度，具體方程表示如下：

式中，ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；k 為湍動(dòng)能，m2/s2；t為時(shí)間，s；xi為介質(zhì)位移，m；μ 為動(dòng)力黏度，Pa·s；μt為湍流黏度系數(shù)，σk、σε為相應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)，Gb為介質(zhì)浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；YM為可壓湍流介質(zhì)壓力脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)。

1.3 計(jì)算條件及收斂準(zhǔn)則

1.3.1 計(jì)算條件

①確定旋轉(zhuǎn)區(qū)域介質(zhì)類型，推進(jìn)器葉輪轉(zhuǎn)速95 r/min，非旋轉(zhuǎn)區(qū)域僅設(shè)置輸送介質(zhì)類型。②反應(yīng)釜所有內(nèi)壁面均設(shè)置為靜止區(qū)域，其邊界類型設(shè)置為WALL。設(shè)置反應(yīng)釜內(nèi)部介質(zhì)的上表面類型為SYMMETRY，旋轉(zhuǎn)域及非旋轉(zhuǎn)域接觸面類型為INTERFACE。

1.3.2 計(jì)算收斂準(zhǔn)則

①收斂精度殘差計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為10-6，設(shè)置相關(guān)參數(shù)（如推進(jìn)輪軸扭距、軸向力等）隨迭代計(jì)算步數(shù)增加呈脈動(dòng)分布。②若預(yù)測計(jì)算結(jié)果存在大分離狀態(tài)，則各性能設(shè)置參數(shù)只需呈周期脈動(dòng)變化，即可視計(jì)算結(jié)果滿足預(yù)期要求。

2 反應(yīng)釜內(nèi)部流場分布計(jì)算結(jié)果及分析

在設(shè)計(jì)流量及轉(zhuǎn)速下，對(duì)底置不同推進(jìn)器的反應(yīng)釜內(nèi)部流場進(jìn)行計(jì)算，得到的反應(yīng)釜內(nèi)部流線分布見圖4，壓力分布見圖5。

圖4所示的釜內(nèi)流線分布情況表明，①推進(jìn)輪外緣流速較輪轂附近區(qū)域流速高，套筒內(nèi)流速均勻、流態(tài)穩(wěn)定，無明顯渦流。②反應(yīng)釜中部、上部拐角及底部拐角區(qū)域出現(xiàn)渦流區(qū)，該區(qū)域易出現(xiàn)物料結(jié)晶下沉堆積及混合不均現(xiàn)象。③底置B型推進(jìn)器反應(yīng)釜內(nèi)渦流區(qū)少、流速快、流態(tài)均勻，循環(huán)效果更佳。

圖4 設(shè)計(jì)流量和轉(zhuǎn)速下底置不同推進(jìn)器反應(yīng)釜內(nèi)部流線分布

圖5表明，①在設(shè)計(jì)工況下，2種推進(jìn)器反應(yīng)釜套筒進(jìn)口至葉輪段壓力均較套筒出口至葉輪段壓力低，套筒外、反應(yīng)釜內(nèi)壓力均勻。②底置B型推進(jìn)器反應(yīng)釜壓力更高，反應(yīng)釜內(nèi)液流總壓力梯度較A型推進(jìn)器的低。

圖5 設(shè)計(jì)流量和轉(zhuǎn)速下底置不同推進(jìn)器反應(yīng)釜內(nèi)部壓力分布

3 反應(yīng)釜性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 推進(jìn)器水力性能測試

借助筆者公司B級(jí)精度循環(huán)水泵測試系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下對(duì)A型和B型這2種推進(jìn)器進(jìn)行水力性能運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)比試驗(yàn)，得到了不同工況下2種推進(jìn)器體積流量與效率、揚(yáng)程的試驗(yàn)關(guān)系曲線，分別見圖6和圖7。

圖6 不同工況下2種推進(jìn)器體積流量與效率試驗(yàn)關(guān)系曲線

圖7 不同工況下2種推進(jìn)器體積流量與揚(yáng)程試驗(yàn)關(guān)系曲線

分析圖6和圖7看出，①不同體積流量下，B型推進(jìn)器的揚(yáng)程及效率均比A型推進(jìn)器的高。這是因?yàn)椋珺型推進(jìn)器采用的是翼型葉輪，而A型推進(jìn)器采用的是常規(guī)等厚槳式葉輪，推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，B型推進(jìn)器推進(jìn)輪的升力系數(shù)較A型推進(jìn)器推進(jìn)輪的升力系數(shù)高，能量利用更充分。②設(shè)計(jì)體積流量下，B型推進(jìn)器揚(yáng)程較A型推進(jìn)器揚(yáng)程高0.3 m、效率高2%，使用B型推進(jìn)器的經(jīng)濟(jì)效益好，成本更低。

3.2 反應(yīng)釜運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

推進(jìn)器在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)底置不同推進(jìn)器的反應(yīng)釜進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)比，得到的反應(yīng)釜內(nèi)流體流態(tài)情況見圖8。

圖8 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)底置不同推進(jìn)器反應(yīng)釜內(nèi)流體流態(tài)

分析圖8可以知道，①底置A型推進(jìn)器反應(yīng)釜內(nèi)液流呈間歇性翻騰狀態(tài)，反應(yīng)釜機(jī)身會(huì)產(chǎn)生間歇振動(dòng)。這是由于反應(yīng)釜內(nèi)部出現(xiàn)大渦流，造成流體流動(dòng)不穩(wěn)定所致。②底置B型推進(jìn)器反應(yīng)釜內(nèi)液流呈現(xiàn)沸騰狀態(tài)，流動(dòng)充分，反應(yīng)釜內(nèi)無大渦流產(chǎn)生，推進(jìn)器運(yùn)行平穩(wěn)，反應(yīng)釜機(jī)身無明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

借助CFD分析軟件，對(duì)底置不同推進(jìn)器的反應(yīng)釜內(nèi)流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并通過運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，采用不同推進(jìn)輪時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)部分區(qū)域均存在渦流，反應(yīng)釜頂部以及底部拐角區(qū)域明顯，容易出現(xiàn)物料混合不均及結(jié)晶下沉堆積的現(xiàn)象。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，底置B型推進(jìn)器反應(yīng)釜運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)渦流少，翼型葉輪可以有效改善反應(yīng)釜內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，降低物料混合不均、結(jié)晶下沉堆積風(fēng)險(xiǎn)，反應(yīng)釜內(nèi)液流呈沸騰狀循環(huán)，流動(dòng)充分。通過運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，文中針對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)部復(fù)雜三維流動(dòng)及水力性能進(jìn)行預(yù)測的數(shù)值模擬計(jì)算可靠，具有一定的工程運(yùn)用參考價(jià)值。