摘要：對于開啟渦輪式攪拌器的攪拌流場，采用多重參考系法、標準
κ－ε湍流模型和 ＳＩＭＰＬＥ算法，應用 Ｆｌｕｅｎｔ軟件對其
進行數值模擬，并用ＰＩＶ實驗進行驗證。結果表明：數值模擬與實驗結果基本一致，選用的 ＭＲＦ模型符合實際；對葉片數為４、槳葉傾角為４５°、槳徑為１００ｍｍ的常用開啟渦輪式攪拌器在轉速為１２０ｒ／ｍｉｎ時進行模擬，發(fā)現(xiàn)槳葉區(qū)產生徑向流，在擋板附近形成漩渦，在釜底存在攪拌死區(qū)；對攪拌器葉輪設計參數進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當槳徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數為６時所產生的攪拌死區(qū)**少，攪拌效果**佳。
引言
攪拌器廣泛應用于農業(yè)、化工、食品、醫(yī)藥、發(fā)酵、排污等各種行業(yè)
［１］，攪拌器葉輪是攪拌過程的主要換能器件，不同結構參數的葉輪所造成的流場和混合效果差別很大，故對攪拌器進行流場分析和優(yōu)化
［２－３］成為必要。近日，隨著
ＣＦＤ［４－６］在攪拌釜中應用，可通過ＣＦＤ對攪拌器進行流場分析和結構優(yōu)化，較傳統(tǒng)的半理論半經驗的方法有更大的優(yōu)越性，對攪拌釜的開發(fā)和調控產生重大影響。雖然ＣＦＤ會縮短實驗周期，但是真實的流動情況需通過試驗來驗證
［７］。
本文以 ＣＦＤ 技術作為攪拌器流場分析和結構優(yōu)化的理論分析基礎，并用ＰＩＶ 驗證模擬的正確性。采用ＦＬＵＥＮＴ對攪拌釜內流場進行了數值模擬，分析了開啟渦輪式攪拌器在不同結構下的流場，并對攪拌器進行優(yōu)化，為攪拌器的開發(fā)和選型提供了依據。
１ 實驗裝置
１．１ 實驗模型
實驗所用攪拌釜為帶蝶形封頭的圓柱形釜體，直
徑Ｄ＝２９０ｍｍ
，液面高度
Ｈ＝
Ｄ，槳徑為
ｄ＝１００ｍｍ
，
葉片寬度
ｂ＝１０ｍｍ，槳葉離底高度
Ｃ＝
ｄ。為了減少
釜壁對光線的折射作用，將攪拌釜置于玻璃方槽中。釜體內有４塊擋板，擋板寬度
Ｂ＝５ｍｍ，葉片數
Ｚ＝４，流動介質為水。為避免激光照射到攪拌器表面行成散光，實驗前需將攪拌器和攪拌軸表面噴上均勻的黑漆。
１．２ 流場測試系統(tǒng)
流場的測量方法主要有皮托管法
［８］、熱膜風速儀法
［９－１０］、激光多普勒測速技術
［１１－１２］、激光超聲測量技術、電化學法、攝影法、粒子圖像測速。而ＰＩＶ 技術打破單點測速技術的限制，既具備單點測量技術的分辨率和精度，又具備平面流場顯示的瞬時圖像和整體結構，揭示出了流動場湍流流動的空間結構，故本實驗采用粒子成像測試技術
［１３－１４］。該測量儀由照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數字相機和分析軟件組成。
２ 數值模擬
２．１ 控制方程
攪拌釜的 ＣＦＤ 分析可以看作是在流體流動基本守恒定律下對流體的模擬，這三個基本的守恒定律是：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，而控制方程是這些守恒定律的數學描述。
|
２．２ |
|
網格劃分 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
利用 |
|
|
／ |
|
進行建模，導入到 |
ＩＣＥＭＣＦＤ |
進行網 |
|
|
|
|
|
|
|
ＰｒｏＥ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
格劃 分。 采 用 多 重 參 考 系［１５］ （ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ＭｕｌｔｉｐｌｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅ |
|
|
|
， |
|
|
|
）方法解決攪拌區(qū)域的運動問題，將攪拌 |
|
ＦｒａｍｅＭＲＦ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
釜分為槳區(qū)域和槳外區(qū)域，通過在交界面上的插值轉換來實現(xiàn)兩個不同區(qū)域的速度匹配。采用非結構網格劃分，總網格數為２１４８９４個，總節(jié)點數為３９５３３個。
２．３ 模擬方法
采用ＦＬＵＥＮＴ軟件進行數值模擬，用標準
κ－ε湍
流模型模擬流體的流動。攪拌過程中液面與大氣接觸，邊界條件設為自由液面；所有釜體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件。壓力 ― 速度耦合采用 ＳＥＭ－ＰＬＥ算法，流動狀態(tài)為定常流動；由于使用的是非結構化網格，采用二階迎風差分格式以提高計算精度；計
算殘差設定為
１０－３。
３ 攪拌流場分析
３．１ 流場數值模擬
為了觀察分析攪拌釜內攪拌軸附近流體的速度大小及分布情況，截取軸向的０°切面的速度云圖和速度矢量圖，如圖１所示。從圖１（ａ）可以看出，液流的高速區(qū)主要集中在槳葉附近以及其下方的帶狀區(qū)域；另外，在槳葉下方有一個低速的自下向上流動的三椎體區(qū)域，此區(qū)域容易產生攪拌死區(qū)。從圖１（ｂ）可以看出，流體有較大的軸向分量，流體在撞擊擋板之后繼續(xù)沿著擋板向下流動，從下邊緣進入槳葉，擋板附近形成漩渦。在封頭內的流體沿著釜壁向中心流動，在釜底形成攪拌死區(qū)。
|
|
比較 |
ＰＩＶ |
實驗和 |
|
數值模擬結果可知，漩渦 |
各個截面的分析，獲得**佳攪拌效果的攪拌器結構。 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ｆｌｕｅｎｔ |
|
|
|
|
|
|
|
|
位置基本一致，流型也基本一致。通過時均速度圖可 |
通常，軸向流、攪拌死區(qū)少、攪拌速度大、數量較多的漩 |
|
知實驗和模擬的時均速度分布和中值基本一致，且** |
渦能達到更好的攪拌效果。初始數據：葉片數 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
大速度都在葉端位置，分別為 |
／ 和 |
／。 |
傾角 |
|
，槳徑 |
|
，轉速 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
０．０４６ｍｓ |
０．０４５ｍｓ |
|
４５° |
|
１００ｍｍ |
|
由于軸的柔性，在轉動中速度有一定波動，存在一定誤 |
４．１ |
葉片數對槳性能的影響 |
|
差。綜上所述， |
|
實驗驗證了數值模擬結果的正確 |
|
圖 |
３ |
給出了在相同槳葉傾角 |
|
|
|
|
|
|
ＰＩＶ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
性，選用的 |
ＭＲＦ |
模型符合實際。 |
|
|
|
|
、轉速 |
／ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
＝１００ｍｍ |
|
１２０ｒｍｉｎ |
|
|
攪拌器的優(yōu)化 |
|
|
|
|
種不同葉片數下能表達釜內整個宏觀流動場的模擬結 |
|
４ |
|
|
|
|
|
果，考慮到釜內有４個擋板，故每種葉片數下表達釜內 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
通過對不同葉片數、不同槳徑和不同槳葉傾角在 |
整個流場的截面都不同。 |
|
５ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
根據流體力學理論，采用Ｆｌｕｅｎｔ對攪拌釜內部流 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
場進行了模擬，并用 ＰＩＶ 對模擬進行驗證。結果表 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
明， |
|
|
實驗與數值模擬的結果基本一致，選用的 |
|
|
|
|
|
|
|
ＰＩＶ |
|
|
|
|
|
|
|
模型符合實際；對葉片數為 、槳葉傾角為 |
|
ＭＲＦ |
|
|
|
|
|
|
|
|
４ |
|
槳徑為 |
１００ｍｍ |
的常用開啟渦輪式攪拌器，在轉速為 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
／ |
|
|
時 槳葉區(qū)產生徑向流 在擋板附近形成漩 |
|
|
|
|
|
， |
|
， |
|
１２０ｒｍｉｎ |
|
|
|
|
渦 在釜底存在攪拌死區(qū) 通過改變攪拌器葉輪的設計 |
|
|
|
|
， |
|
|
|
|
； |
|
|
參數，對所得到的模擬結果進行分析和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當槳 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數為６時所產生的 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
攪拌死區(qū)**少，攪拌效果**佳。 |
