不同类型搅拌器流场数值模拟_吴京平.pdf

2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 13 不同类型搅拌器流场数值模拟 不同类型搅拌器流场数值模拟 吴京平，王胜胜，项锦欣，陈 志（重庆理工大学，重庆 400054）摘 要：摘 要：搅拌操作是工业反应过程的重要环节，所涉及的因素很多，物料在搅拌设备内部流动极其复杂。搅拌器内流场研究主要依赖流场测试技术和数值模拟计算。本文设计了几种不同类型的搅拌器，运用FLUENT 软件，对这几种搅拌器内的流场进行了数值模拟，计算出了几种不同搅拌器内的轴向、径向、切向速度，以此分析各种搅拌器的流型。关键词：关键词：搅拌器；流场；数值模拟；流型 引 言 引 言 搅拌反应器适用于各种物性和各种操作条件的反应过程，应用范围十分广泛1-6。目前，搅拌器内流场研究主要依赖流场测试技术和数值模拟计算，测量手段主要有下列五种：放射粒子跟踪技术，电容层析成像技术，激光多普勒测速技术，相多普勒测速技术，和粒子图像测速技术。数值模拟技术可以有效地模拟搅拌器在各种情况下的流场情况7-12。通过 CFD（计算流体力学）丰富而强大的后处理功能可以直观地了解搅拌槽内的流场分布，可用于研究分析和改进搅拌器的性能。Shuyan Wang 等13采用数值模拟的方法对反应釜内的固液搅拌混合过程进行了计算，发现随着搅拌速度的增加，搅拌器内的湍动能和颗粒速度都会增加，颗粒的波动性增强。杜友花14对实验室搅拌器内部流场进行了数值模拟研究，结果表明挡板能有效防止旋涡产生。杨文哲等15用数值模拟的方法研究了六直叶开启式涡轮搅拌器内部的流场，认为六面体网格的模拟结果更准确，并发现所模拟的六直叶开启涡轮式搅拌器混合效果较差。本文数值模拟了四种典型搅拌器内流场分布，分析不同搅拌器内的流场特点。1 数值模拟研究 1 数值模拟研究 1.1 网格划分 采用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT 来进行网格划分，为了控制网格数量，节约计算时间，采用六面体和四面体混合网格。采用多重参考系（MRF 模型）对搅拌器流场进行稳态计算。模拟搅拌器的尺寸见图 1。图 1 搅拌器尺寸图 图 1 搅拌器尺寸图 1.2 湍流模型 标准k-模型k和 的输运方程为：（1）（2）引入 Richardson 数对耗散方程进行旋流修正，修正后的输运方程为：（3）DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.09614 吴京平：不同类型搅拌器流场数值模拟 （4）湍流模型中各常数采用 Launder 所推荐的值：1.3 时均速度的数值模拟 机械搅拌反应器的搅拌性能直接关系到反应过程能耗和生产成本。搅拌器的流型取决于搅拌器的形式、搅拌器转速、构件的几何特征，以及流体性质等因素。搅拌器的改进和新型搅拌器的开发通常从流型着手，因为流型与搅拌效果、搅拌功率的关系非常密切。对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒，流型一般分为径向流、轴向流和切向流这三种基本流型。1.3.1 合速度分布 （a）推进式搅拌器；（b）锚式搅拌器；（c）六直叶涡轮搅拌器；（d）六斜叶涡轮搅拌器 图 2 搅拌器轴截面合速度分布 图 2 搅拌器轴截面合速度分布 （a）推进式搅拌器；（b）锚式搅拌器；（c）六直叶涡轮搅拌器；（d）六斜叶涡轮搅拌器 图 3 搅拌器轴截面轴向速度分布图 3 搅拌器轴截面轴向速度分布 吴京平：不同类型搅拌器流场数值模拟 15 数值模拟的边界条件，设置搅拌桨和搅拌器的搅拌速度为 300r/min。从流场的模拟结果（图 2 为各搅拌器轴截面和横截面的合速度分布图）可以看出，搅拌器叶片射流处流体速度最高，流动远离叶片，速度逐渐降低，叶片喷射出的流体进入周围大量低速运动的流体中，卷吸周围流体，并沿轴向和径向扩散。其中代表高速的为高亮度区域。高亮度区域的面积越大，速度云图分布范围越广，说明搅动范围越大，搅拌效果就越好。从以上四种搅拌器的云图可以看出，搅拌器叶片附近高亮区域集中，证明搅拌器周围流场搅拌效果最好。1.3.2 轴向速度分布 图 3 搅拌器的轴向速度云图（以轴截面为观测面），从图中可以看出搅拌器下部靠近搅拌轴的区域，以及搅拌槽壁面附近流体的速度较高，这是由于叶轮推动液体时，流体先沿径向运动，碰到搅拌槽壁面后会分别向上向下流动，即沿轴向流动，从而导致搅拌槽附近的轴向速度较大，而向下流动的流体接触到搅拌槽底部时会反转卷吸到搅拌器的下部，从而造成搅拌器下部轴向速度的高亮区。其中推进式搅拌器的轴向速度分布是比较明显的轴流式分布，可以看出液体从桨叶周围沿壁面向上，到搅拌槽顶部沿着搅拌桨向下，为轴向流的流型。1.3.3 径向速度分布 （a）推进式搅拌器；（b）锚式搅拌器；（c）六直叶涡轮搅拌器；（d）六斜叶涡轮搅拌器 图 4 搅拌器轴截面径向速度分布 图 4 搅拌器轴截面径向速度分布 （a）推进式搅拌器；（b）锚式搅拌器；（c）六直叶涡轮搅拌器；（d）六斜叶涡轮搅拌器 图 5 搅拌器轴截面切向速度分布 图 5 搅拌器轴截面切向速度分布 16 吴京平：不同类型搅拌器流场数值模拟 从搅拌器的径向速度云图（图 4 以轴截面为观测面）中可以看出，在搅拌器的转动下叶轮的顶部及叶片所夹区域的径向流速较大，这说明在搅拌器的转动下，搅拌器周围及两叶片间的物料混合效果较好。叶片周围的径向速度为正，说明叶片周围流体由中心向周围运动，在搅拌槽的顶部和底部，径向速度为负，说明流体从顶部和底部又流回中心，完成循环。1.3.4 切向速度分布 无挡板的容器内，流体绕轴做旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，这种流型成为切向流，如图 5 所示。此时流体动桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。其中锚式搅拌器的切向速度分布是比较明显的切向流分布，可以看出越靠近壁面的区域流体的切向速度越大。2 结 论 2 结 论 本文通过数值模拟研究，得出了几种不同搅拌器内的流场分布。对比分析模拟计算结果，锚式搅拌器以切向流为主，流体绕轴做旋转运动，液体向外向上旋转，中间部分液面下降；推进式搅拌器以轴流为主，循环性能好，剪切作用不大；平直叶桨式搅拌器和六直叶涡轮搅拌器以径流为主，折叶桨式搅拌器和六斜叶涡轮搅拌器为混流式，应用范围会比较广。参考文献 参考文献 1 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计M.北京:化学工业出版社,2015.2 Gaurav Mittal,Rafael Issao Kikugawa.Computa-tional flfluid dynamics simulation of a stirred tank reactorJ.Materials Today:Proceedings,2021,46:11015-11019.3 黎义斌,宋亚娟,歹晓晖,等.不同推进式桨叶对搅拌反应器内气液两相混合特性的影响J.化工学报,2020,71:227-235.4 陈俊英,李红伟.化工行业常用搅拌器研究热点J.现代化工,2011,31(10):12-16.5 周上华.新型高效节能变截面可调角度搅拌器的应用与分析J.硫磷设计与粉体工程,2019(5):1-6.6 白晓莉,唐克伦,李辉,等.基于 Fluent 的搅拌器三维流场数值模拟及其实验研究J.制造业信息化,2015(4):17-21.7 徐胜利,张博伦,程昉.基于 CFD 流场模拟的反应釜结构设计J.化工进展,2016,35(2):401-406.8 程亮,李志音,马骏,等.搅拌器三大混合性能的模拟计算J.石油和化工设备,2018,21:15-18.9 方德明,陈涛,杨象岳,等.基于 CFD 流场分析的反应釜搅拌器结构改进J,轻工机械,2014,32(2):95-101.10 刘法鑫,王子含.涡轮式组合搅拌器的数值模拟研究J.研究开发,2020,58(6):45-49.11 Pan Zhang,Guanghui Chen,Jihai Duan.Mixing characteristics in a vessel equipped with cylindrical stirrerJ.Results in Physics,2018,10:699-705.12 Deyin Gu,Zuohua Liu,Chuanlin Xu.Solid-liquid mixing performance in a stirred tank with a double punched rigid-flflexible impeller coupled with a chaotic motorJ.Chemical Engineering&Processing:Process Intensifification,2017,118:37-46.13 Shuyan Wang,Xiaoxue Jiang,Ruichen Wang.Numerical simulation of flflow behavior of particles in a liquid-solid stirred vessel with bafflflesJ.Advanced Powder Technology,2017,28:1611-1624.14 杜友花.搅拌器内部三相流场特性模拟研究J.有色金属(选矿部分),2020(4):95-99.15 杨文哲,苏晓,刘毅,等.基于 CFD 的涡轮式搅拌器内流场数值模拟J.工业技术创新,2021,8(1):108-114.