部分挡板条件下桨式搅拌机流动计算及试验研究_李忠.pdf

收稿日期:2023 01 03基金项目:中国博士后科学基金资助项目(No 176911);江苏省博士后科研资助计划项目(No 1701054B)第一作者:李忠(1979)，男，江苏镇江人，博士，副教授，研究方向为流体机械内部复杂多相流动及流激振动研究。部分挡板条件下桨式搅拌机流动计算及试验研究李忠1，薛鹏飞1，2，丁磊1(1 江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013;2 宜兴泉溪环保设备有限公司，江苏 宜兴 214200)摘要:针对部分挡板条件下桨叶式混合搅拌机的流动特征，该文中进行了相关研究。在数值计算法和 PIV 内流试验的基础上，对比分析了转速、桨叶倾角对内流的影响规律。结果表明，转速增加有助于提升搅拌槽内主流的流速;60与 90倾角下，桨叶上下方区域内的流型均为径向循环流且其旋向相反，同时 60倾角桨叶循环流的中心位置均高于 90倾角。此外当转速为 120 rpm 时，90倾角桨叶上方会形成两个旋向一致的循环流。关键词:混合搅拌机;部分挡板条件;数值计算;PIV 试验;内流中图分类号:TQ021文章编号:1000 0682(2023)02 0090 06文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02 018Flow calculation and experimental study of paddle mixer with partial baffleLI Zhong1，XUE Pengfei1，2，DING Lei1(1 School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 212013，China;2 Yixing Quanxi Environmental Protection Equipment Co，Ltd，Jiangsu Yixing 214200，China)Abstract:Based on numerical calculation and PIV inflow measurement，the flow characteristics ofimpeller mixer with partial baffle were researched，and the influence law of rotational speed and bladeAngle on inward flow was compared and analyzed The results show that the increase of rotating speed ishelpful to increase the flow velocity of the main flow in the stirred tank The flow patterns above and be-low the blade at 60 and 90 inclinations are radial circulating flow with opposite handedness，and thecenter position of circulating flow in the blade at 60 inclinations is higher than that at 90 inclinationsWhen the rotation speed is 120 rpm，two circulatory flows with uniform hander are formed above the bladewith 90 inclination AngleKeywords:mixing agitator;partial baffle conditions;numerical calculation;PIV measurement;in-ternal flow0引言随着国民经济的快速发展，各项生产活动对水资源造成了严重破坏，并导致水环境质量的逐步恶化，因此水处理的重要性日益凸显0。混合搅拌机是诸多水处理工艺中的核心部件，该设备通常用于给排水处理中混凝过程的混合阶段，借助流动循环以实现混凝剂与水的快速、充分混合。目前，桨式混合搅拌机在混合阶段的应用较为广泛，但其形式单一且效率偏低，搅拌槽结构形式、桨叶几何参数等主要因素对桨式混合搅拌机内流的影响规律仍有待深入研究。对该型设备运行时的内流特性进行研究，有助于设备内流理论的发展及综合效能的提升，因此具有显著的学术意义和工程应用价值。近年来，基于计算流体动力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)的预测技术在搅拌机内流研究方面得到了广泛应用，取得的研究成果有效提升了搅拌机的优化设计水平2 4。Dong L5 采用标准k 模型对无挡板条件下搅拌槽内八叶平板涡轮桨的流动情况进行了数值模拟，研究表明该模型预测液体中的平均速度和湍流能量与实验测量值相同。Jaworshki Z6 采用滑移网格法(Sliding Mesh，SM)模拟了六直叶涡轮流场，并与 LDA 实验结果进09工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期行了对比分析，研究发现标准 k 模型和 NG k 模型对排出流量、功率准数的预测精度较高，但对湍动能的模拟精度不足。Lane G L7 通过对比时均速度、湍动能和耗散率，进而对多重参考系法(Mul-tiple eference Frame，MF)及 SM 法的适用性进行了分析，研究表明两者获得的时均速度基本一致，但对湍流参数的预测准确度均偏低，且 MF 法更适用于多相流模拟。鉴于搅拌机的形式多样，其内流规律存在较大差异，因此仍需大力开展针对性的内流研究。该文以桨叶式混合搅拌机为研究对象，对部分挡板条件下不同混合搅拌机模型内的流动特征进行数值计算与粒子成像测速(Particle Image Velocime-try，PIV)试验研究，以期加深对搅拌槽内流动机理的认识，从而为相关条件下该型搅拌机的选型及优化设计提供理论依据。1内流数值模拟1 1模型参数和网格划分桨叶式混合搅拌机 8 10 模型由圆柱形搅拌槽及倾角不同的两个桨叶构成。其主要参数及示意图分别如表 1 和图 1 所示，且槽内水位高均为 250 mm。采用 Solidworks 对搅拌器模型进行 3D 建模，导入Ansys 后再使用非结构化网格进行划分，同时对叶片及其周边流域的网格进行局部加密处理。选取转速为 120 rpm 的 60桨叶作为网格无关性分析的模型，并将其 XZ 面上 Z=0 04 m 处的合速度曲线作为网格无关性评价依据，模拟结果如图 3 所示。当网格数量达到 718 574 时，槽内液相速度分布与网格数量为1 413 958 时相比无明显变化，且随着数量的增加，数值模拟结果的变化也较小，故综合考量后选取了网格数为 1 413 958 的网格模型。经无关性验证最终确定的网格方案，如图 2 所示。图 1几何参数示意图图 2网格划分示意图表 1搅拌槽主要参数W 搅拌槽参数数值桨叶参数数值搅拌槽内直径 D2230 mm直径 D1160 mm搅拌槽高度 H1260 mm倾角 6090挡板厚度 B8 mm桨叶离底高度 H350 mm挡板宽度 W25 mm搅拌轴直径 d12 mm挡板高度 H2250 mm/挡板个数 n4/图 3不同网格数时 XZ 面上 Z=0 04 m 处合速度分布图1 2挡板条件确定挡板条件通常依据挡板系数 Kb进行划分，即当Kb0 35 时为全挡板条件;0 Kb0 35 时为部分挡板条件。Kb的计算公式如下:Kb=(WbD)1 2nb(1)式中:Wb为挡板宽度;D 为搅拌槽内直径;nb为挡板数。结合表 1 及上述公式可知，本次研究的搅拌机模型挡板系数为 0 213，因此其为部分挡板条件模型。1 3数值模拟方法目前，处理桨叶和搅拌槽之间相互作用的数值计算方法主要为:多重参考系法(MF)与滑移网格法(SM)。其中 MF 法常用于稳态模拟，SM 法则常用于瞬态模拟。文中利用前者将桨叶及其附近区域设置为运动区域，并使用后者将其他区域设置为静192023 年第 2 期工业仪表与自动化装置止区域，且采用静止坐标系。同时，旋转及静止域之间的交界面设置为 Interface，从而保证两个区域的数据耦合。数值模拟选用雷诺时均法(eynolds Av-erage Navier Stokes，ANS)中的标准 k 模型，压力 速度耦合选用 SIMPLE 算法，动量、湍流动能及湍流耗散率则均选用二阶迎风格式进行离散，其余保持默认设置，初始化方法选用混合初始化，残差收敛值设置为 0 000 1。1 4模拟结果分析60和90倾角桨叶在120 rpm、160 rpm 与200 rpm转速下的轴截面 YZ 上的速度云图及流线分布，如图 4 所示。由图可知，相同转速下 60倾角桨叶对桨叶区速度影响的范围明显大于 90倾角桨叶;而在相同倾角下，随着转速的增加，整个流场的速度显著提升。两种倾角下桨叶底部流型均呈径向流，且60倾角桨叶更为明显。此外，60倾角桨叶上方的环流中心相比于 90倾角桨叶更贴近搅拌槽壁面，但后者上方的环流较为明显，且形状更接近于圆形。图 4两种倾角桨叶在不同转速下的速度云图和流线组合图图5不同倾角、不同转速下桨叶 Z=005 m 处的合速度曲线图为对比分析两种倾角下桨叶下方速度分布的差异，选取 Z=0 05 m 处的 Y、Z 方向合速度曲线进行分析，如图 5 所示。由图可知，桨叶下方区域内的速度从旋转中心沿径向呈先增大后减小再增大的分布规律，其主要流型为径向流。相同倾角桨叶在该区域内的流速均随桨叶转速的增加呈递增趋势，且在临近挡板处其速度达到最大值。此外，搅拌槽底部的速度值较小，说明槽底流动受桨叶的影响较小，且桨叶正下方存在搅拌死区。2内流 PIV 试验2 1PIV 测量原理PIV11 12 测量时激光束通过光学调制形成片光源照亮流场，在搅拌槽内散播跟随性、反光性良好的示踪粒子，同时利用两个脉冲激发光源获得两次曝光图，经过对曝光时间和位移的计算即可获得二维速度场。测量截面上某示踪粒子在 x、y 两个方向上随时间的位移函数分别为 x(t)、y(t)，则该示踪粒子对应位置处流体质点的流速可表示为:vx=dx(t)dtx(t t)x(t)t=vxvy=dy(t)dty(t t)y(t)t=vy(2)式中:vx和 vy、vx与 vy分别为流体质点在 x、y 方向上的瞬 时 速 度 及 平 均 速 度;t 为 测 量 的 时 间间隔13 14。2 2试验方法试验中采用了丹迪公司(Dantec Dynamics A/S)制造的 PIV 测量系统，该系统主要由 CCD 相机、双腔脉冲激光发射器、激光导臂、同步发生器、计算机和粒子图像处理软件等组成，具体结构如图 6 所示。PIV 测量时，由脉动能量为60 MJ，激光波长为 135 nm，脉冲间隔为 110 s 的 Nd TAG激光器透过柱面透镜的片光源照亮所需测量的轴截面，并采用空间分辨率为 1 600 1 200 像素，采集速度约为 16 frames1的 CCD 相机垂直于测量区域进行同步拍摄。示踪粒子采用 20 m 的空心玻璃珠来保证其自身的跟随性及光散播性。圆柱形有机玻璃搅拌槽被放置在方形有机玻璃槽内，以减小搅拌槽圆柱面的光学折射率效应。为了研究桨叶上区内流变化规律，选取桨叶左侧上方的区域为测试区域，并将坐标进行无量纲处理以便于对比分析，如图 7 所示。29工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期图 6PIV 测量系统图 7测量区域示意图2 3试验结果分析60和 90 倾角桨叶在 120 rpm、160 rpm 及200 rpm转速下轴截面上的测量结果，如图 8 所示，为 PIV 速度云图与局部矢量放大图(速度区间设置为 0 0 25 m/s、图层等级数为 50 级)。数值计算结果如图 9 所示(右