孫志偉 施建強 王博 武鵬

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403018

摘 要 為研究剪切攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效果的影響，對剪切攪拌器優(yōu)化前后的內(nèi)流場進行數(shù)值計算。以攪拌功率、流速為判定依據(jù)，分析了圓盤外圓直徑D1、半球形葉片直徑R對攪拌效果的影響。研究結(jié)果表明：D1在320～360 mm范圍變化，R不變的情況下，增加D1使攪拌器軸功率增加，當(dāng)D1=360 mm，R=85 mm時，攪拌器功率為26.5 kW;R在75～95 mm范圍變化，D1不變的情況下，增加R也可使攪拌器軸功率增加，當(dāng)D1=330 mm，R=95 mm時，攪拌器功率為28.3 kW;改變D1軸功率變化率約為0.08，改變R軸功率變化率約為0.41，改變D1速度平均改變量約為0.02 m/s，改變R速度平均改變量約為0.065 m/s，表明D1和R在相同增比的情況下，改變R使攪拌器獲得更大的軸功率和流體剪切速率。

關(guān)鍵詞 剪切攪拌器 攪拌效果 數(shù)值計算 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù) 優(yōu)化設(shè)計 剪切速率

中圖分類號 TQ051.7?? 文獻標(biāo)志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0454?08

Optimization Design of Key Structural Parameters of Shear Agitator

SUN Zhi?wei1， SHI Jian?qiang2， WANG Bo3， WU Peng1

（1.College of Energy Engineering ， Zhejiang University; 2. Songyuan Machinery Manufacturing Co.， Ltd.;

3. Jiaxing Dingliu Technology Co.， Ltd .）

Abstract?? For purpose of investigating the influence of shear stirrers key structural parameters on the stirring effect ， the internal flowfield before and after optimizing the shear stirrer was calculated by numerical calculation method . Based on the determination of stirring power and flow rate ， the outer diameters（D1） influence of the disc and that of hemispherical blades diameter（R） on the stirring effect were analyzed. The results show that， when D1 changes in the range of 320 mm to 360 mm and R keeps unchanged ， the agitator shafts power is increased ; when D1 equals to 360 mm and R equals to 85 mm ， the stirrer power is 26.5 kW; when R ranges from 75 mm to 95 mm and D1 keeps unchanged ， increasing R can also increase the agitator shaft power ; when D1 equals to 330 mm and R equals to 95 mm ， the stirrer power stays at 28.3 kW ; when the change rate of D1 axis power is about 0.08 ， the change rate of R axis power is about 0.41 ， the D1s average speed change is about 0.02 m/s， and the Rs average speed change is about 0.065 m/s ， which indicates that ， when D1 and R have the same increase ratio ， changing R can give the agitator greater shaft power and fluid shear rate .

Key words?? shear agitator， mixing effect， numerical calculation， key structural parameter， optimal design， shear rate

作者簡介：孫志偉（1993-），碩士研究生，從事旋轉(zhuǎn)機械優(yōu)化設(shè)計與減振降噪。

通訊作者：武鵬（1986-），副研究員，從事流體機械優(yōu)化設(shè)計與減振降噪，wu_peng@zju.edu.cn。

引用本文：孫志偉，施建強，王博，等.剪切攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J].化工機械，2024，51（3）：454-461.

攪拌設(shè)備是一類量大、面廣的通用機械，通過旋轉(zhuǎn)攪拌器將電機機械能轉(zhuǎn)換為流體動能，廣泛應(yīng)用于食品、化工、冶金、造紙及石油等領(lǐng)域[1]。攪拌效果作為評判攪拌器性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一，一直是人們關(guān)注的熱點[2]。學(xué)者們采用數(shù)值仿真和實驗測量的方法對攪拌罐內(nèi)的流動特性進行了研究，獲得了攪拌流場信息，以此來評價攪拌效果的好壞。劉國平和鄭坤采用計算流體力學(xué)方法，對平直葉漿攪拌槽內(nèi)高黏流體流場進行數(shù)值模擬，并分析攪拌槽內(nèi)流體的流動特性和混合過程[3]。梁瑛娜和高殿榮利用CFD軟件，采用Laminar層流模型對雙層直斜葉及其組合漿攪拌槽進行了數(shù)值模擬，詳細分析了三者的內(nèi)部流動特性和速度分布[4]。王璐璐等利用PIV技術(shù)對雙層改進型INTER?MIG漿攪拌槽流場進行了測量，由軸向和徑向速度大小分析了流場特征[5]。施乃進等分別用體三維速度測量技術(shù)和大渦模擬的方法對渦輪槳攪拌槽內(nèi)流場進行研究，由測量結(jié)果和模擬結(jié)果分析可知，大渦模擬方法可較好地預(yù)測攪拌槽內(nèi)流場[6]。

由上述文獻可知，現(xiàn)有攪拌流場信息獲取方法主要有數(shù)值仿真和實驗測量，數(shù)值仿真技術(shù)可以大幅減少試驗耗時和試驗成本，借助數(shù)值仿真對攪拌設(shè)備進行改進設(shè)計成為當(dāng)今學(xué)者研究的熱點課題。夏杰等利用CFD軟件，仿真分析了4種不同類型攪拌槳在反應(yīng)釜內(nèi)流場特性，為反應(yīng)釜的優(yōu)化設(shè)計提供參考方案[7]。孫東東等利用CFD軟件，仿真分析了3種不同葉片形式的徑流式攪拌槳的功率消耗和泵送能力等攪拌性能，通過改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)和尺寸獲得優(yōu)質(zhì)攪拌特性[8]。聶超超等通過非線性規(guī)劃算法設(shè)計出最優(yōu)單攪拌葉片模型，借助EDEM軟件模擬攪拌過程，與普通葉片、雙排葉片低效區(qū)的攪拌特性進行對比分析，驗證了優(yōu)化模型的優(yōu)越性[9]。單從優(yōu)化攪拌器結(jié)構(gòu)角度考慮，現(xiàn)有的研究僅更換攪拌器葉片類型和組合方式，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效果的影響卻少有研究。然而，某一參數(shù)變量對攪拌效果的影響規(guī)律是極其明顯的，但具有不確定性的特點。攪拌過程中，流體的循環(huán)流動和剪切作用是評判攪拌效果的直接指標(biāo)，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的攪拌器對流體所造成的循環(huán)流動和剪切作用效果差別也很大。因此，研究攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效果的影響具有深遠的現(xiàn)實意義。

筆者以剪切攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，選用CFD仿真方法，對不同關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的剪切攪拌器在同一攪拌罐內(nèi)流場進行分析，以攪拌功率、流體速度為判定依據(jù)，重點研究了圓盤外圓直徑、半球形葉片直徑對攪拌效果的影響。

1 攪拌罐及攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 攪拌罐體模型

攪拌罐體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。由于安裝需要采用底插式結(jié)構(gòu)，罐體內(nèi)徑D=1900 mm，液面高H=2180 mm，剪切攪拌器安裝高度C=140 mm，罐體內(nèi)壁均勻布置2塊擋板，降低罐體內(nèi)壁渦流產(chǎn)生幾率，剪切攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為圓盤外圓直徑D1和半球形葉片半徑R。

1.2 剪切攪拌器模型

文中所述攪拌器是在齒形圓盤式攪拌器的基礎(chǔ)上添加了半球形葉片，使其在高速旋轉(zhuǎn)時，流體既有徑向流動又有軸向流動，幾何模型如圖2所示。

圓盤外圓直徑D1通過影響流體徑向流動進而影響流體的剪切作用，半球形半徑R通過影響流體軸向流動和徑向流動進而影響流體的循環(huán)作用，因此，剪切攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇D1和R，仿真模型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置見表1。

2 數(shù)值模擬設(shè)置和判定依據(jù)

2.1 計算域和網(wǎng)格劃分

攪拌器計算域主要由3部分組成，如圖3所示。其中，罐體和出口為靜態(tài)域，攪拌器為旋轉(zhuǎn)域，靜態(tài)域不變，通過改變旋轉(zhuǎn)域幾何參數(shù)比較不同參數(shù)模型的攪拌效果。在ICEM CFD軟件中對整個計算域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對旋轉(zhuǎn)域進行局部加密處理，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為473萬，模型計算域網(wǎng)格節(jié)點分布如圖4所示。

2.2 數(shù)值計算方法

本文旨在研究剪切攪拌器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效果的影響，攪拌介質(zhì)為水，采用有限元商業(yè)軟件ANSYS FLUENT 19.2進行攪拌器連續(xù)攪動穩(wěn)態(tài)計算，以捕捉復(fù)雜的流動特性?；趬毫蠼?，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型，采用多參考系模型（MRF）處理旋轉(zhuǎn)域與靜止域間的相對運動。求解方法采用SIMPLEC格式處理壓力速度耦合，并采用二階迎風(fēng)格式收斂準(zhǔn)則。罐體頂部邊界類型為自由液面，出口邊界類型為壓力出口，所有壁面均采用無滑移邊界條件。

2.3 判定依據(jù)

2.3.1 攪拌功率

攪拌功率是攪拌器的基本參數(shù)之一，也是電機選型的關(guān)鍵依據(jù)。攪拌功率的大小可由作用在攪拌器上的扭矩進行計算，根據(jù)FLUENT軟件模擬結(jié)果文件，讀出攪拌器扭矩，計算出攪拌功率P：

P=M×ω=M×?? （1）

式中 M——攪拌器扭矩，N·m;

n——轉(zhuǎn)速，r/min;

ω——角速度，rad/s。

2.3.2 流速

為了更好地分析攪拌流場特性，筆者將用流速大小進行定量分析。

通過比較5條線上等距點的流速大小來分析軸向和徑向的攪拌效果，在xoz和yoz截面上選取5條線，每條線上選取10個等距點，利用CFD?POST軟件輸出每個點對應(yīng)坐標(biāo)下的速度值，定量分析攪拌特性，5條線的布置如圖5所示。參考坐標(biāo)為Line1[（0，0，0）～（0，0，1.5）]、Line2[（0，0.4，0）～（0，0.4，1.5）]、Line3[（0，-0.4，0）～（0，-0.4，1.5）]、Line4[（-0.4，0，0）～（-0.4，0，1.5）]、Line5[（0.4， 0，0） ～（0.4，0，1.5）]，單位為m。

3 計算結(jié)果討論與分析

3.1 攪拌器功率對比

模型1是初始設(shè)計模型，在模型1的基礎(chǔ)上改變圓盤外圓直徑D和半球形半徑R設(shè)計其他模型。根據(jù)各個模型仿真結(jié)果中的扭矩值，利用式（1）計算軸功率，統(tǒng)計結(jié)果列于表2。另外，為了比較關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌功率影響作用的強弱，筆者繪制了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)-軸功率關(guān)系圖，如圖6所示。

由圖6可知：改變R時軸功率變化率約為0.41，改變D時軸功率變化率約為0.08。由此可知，D和R在相同增比或減比的情況下，改變R使軸功率的變化較明顯，這是因為改變D只影響徑向速度，而改變R既影響徑向速度也影響軸向速度，從而使得合速度改變較大，使離心力變化明顯，進而影響扭矩和功率。在功率允許的情況下，較大的軸功率表明攪拌器的剪切作用和循環(huán)作用突出，有利于攪拌。從成本管控角度考慮，增大R作為增加功率的首選項。

3.2 流速對比

提取每個模型5條線上等距數(shù)據(jù)點的速度值，分析攪拌罐體內(nèi)徑向和軸向的速度分布，評判攪拌罐體內(nèi)流場的均勻性。軸向速度分布的統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示，徑向速度分布的統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

由圖7可以看出，Line1～Line5中改變D（模型2～模型5）和改變R（模型6～模型9）相比，改變D時速度平均改變量為0.02 m/s，改變R時速度平均改變量為0.065 m/s，改變R時罐體內(nèi)流場速度變化明顯，這與軸功率變化率的變化趨勢一致。模型1～模型9罐體中心軸線（Line1）處的速度隨與攪拌器距離的增大而逐漸減小，因為半球形葉片的作用，攪拌器頂端流體有一速度值，向上擴散的過程中，在粘滯力和重力的作用下，動能隨著距離的增大而被消耗，故速度逐漸減少。模型1～模型9在Line2～Line5處的速度隨著與攪拌器距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，因為圓盤和半球形葉片的共同作用，攪拌器四周流體具有一定的剪切速度使流體沿徑向流動，由于擋板和罐體內(nèi)壁的存在，使流體以圓盤所在徑向面為界分成上下兩個循環(huán)流，其中上循環(huán)流速度很大，上循環(huán)流向上循環(huán)擴散的過程中，當(dāng)循環(huán)動能大于粘滯力和重力的能量消耗時，速度增大，循環(huán)作用為主;當(dāng)循環(huán)動能小于粘滯力和重力的能量消耗時，速度開始減少，擴散作用為主。

由圖8可以看出，模型1～模型9在各個徑向平面內(nèi)展現(xiàn)的速度特性相同，即：H=0.33 m所在徑向平面處的中心速度高于周圍4個點速度，且周圍4個點速度相同;其余徑向平面處的中心速度均低于周圍4個點速度，且周圍4個點速度也基本相同。H=0.33 m徑向平面距攪拌器較近，中心位置處的速度主要受半球形葉片影響，隨著距離的增加，速度越來越小，故H=0.33 m徑向平面內(nèi)中心流體速度大于周圍流體速度。其余徑向平面由于離攪拌器較遠，平面內(nèi)各點速度受半球形葉片影響較小，主要受循環(huán)流影響，同一徑向平面內(nèi)循環(huán)流由罐體內(nèi)壁向內(nèi)擴散，速度依次減小。由于攪拌器擴散作用，其余徑向平面中心處速度呈梯度分布，循環(huán)流對其影響又相互抵消，故相比于周圍點的流體速度值，中心處的流體速度最小。

4 結(jié)論

4.1 從外特性和內(nèi)特性兩方面入手，以攪拌功率、流速分布作為評判攪拌特性的依據(jù)，可以全面評估攪拌器的攪拌效果。

4.2 增加關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸D和R可以增加攪拌功率，改善攪拌特性;半球形葉片半徑R保持不變，圓盤直徑D為360 mm時，攪拌功率最大為26.5 kW;圓盤直徑D保持不變，半球形葉片半徑R為95 mm時，攪拌功率最大為28.3 kW。

4.3 D和R在相同增比情況下，改變D軸功率變化率約為0.08，改變R軸功率變化率約為0.41，改變R使軸功率的變化較明顯，較大的軸功率表明攪拌器的剪切作用和循環(huán)作用突出，有利于攪拌。

參 考 文 獻

[1] 陳志平，章序文，林興華.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2004.

[2] 周國忠，施力田，王英琛.攪拌反應(yīng)器內(nèi)計算流體力學(xué)模擬技術(shù)進展[J].化學(xué)工程，2004，32（3）：28-32.

[3] 劉國平，鄭坤.平直葉槳攪拌槽內(nèi)流體混合過程數(shù)值模擬研究[J].機械設(shè)計與制造，2021（6）：115-117;121.

[4] 梁瑛娜，高殿榮.雙層直斜葉及其組合槳攪拌槽三維流場數(shù)值模擬[J].機械工程學(xué)報，2008，44（11）：290-297.

[5] 王璐璐，周勇軍，鮑蘇洋，等.改進型INTER?MIG槳攪拌槽內(nèi)流場的PIV實驗[J].過程工程學(xué)報，2017，17（3）：447-452.

[6] 施乃進，周勇軍，鮑蘇洋，等.渦輪槳攪拌槽內(nèi)湍流特性的V3V實驗及大渦模擬[J].化工學(xué)報，2017，68（11）：4069-4078.

[7] 夏杰，劉雪江，李明海，等.基于CFD模擬的攪拌反應(yīng)釜流場分析及優(yōu)化設(shè)計[J].南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2018，18（3）：87-92.

[8] 孫東東，鄭志永，李晶，等.基于CFD模擬的新型徑向流攪拌槳設(shè)計[J].過程工程學(xué)報，2017，17（4）：677-683.

[9] 聶超超，韓振南，趙遠，等.基于EDEM數(shù)值模擬的攪拌葉片優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2019（4）：17-20;25.

（收稿日期：2023-05-31，修回日期：2024-05-06）