带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内转速对流场的影响.pdf

化工机械2023 年化工机械DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304010带稳定翼四斜叶-Rushton 组合桨釜内转速对流场的影响孙中宙1包健2高晓斌1秦晓波1周勇军1渊1.南京工业大学机械与动力工程学院曰2.国家化工设备质量检验检测中心渊江苏冤冤摘要利用计算流体力学渊CFD冤对带稳定翼四斜叶-Rushton 组合桨釜内流场进行数值模拟袁分析了不同转速下釜内流型尧速度场尧湍动能的变化规律遥 研究结果表明院搅拌器转速显著影响釜内流场和湍动能的分布袁转速 N=110 r/min 时袁釜内流型为径向流袁稳定翼的切割推流作用表现明显袁在釜内组合桨中间区域形成了一个高速涡旋袁釜内流型为最佳流型曰在该转速条件下釜内低速区趋近消失袁速度分布合理曰此时釜内上部和釜底的湍动能分层消失袁釜内流体整体湍动程度较高袁混合效果明显增强遥关键词搅拌釜带稳定翼四斜叶-Rushton 组合桨CFD 模拟转速流场中图分类号TQ051.7文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0500鄄06作者简介院孙中宙渊1995-冤袁硕士研究生袁从事流体机械技术与装备开发工作遥通讯作者院周勇军渊1969-冤袁教授袁从事流体机械技术与装备开发工作袁遥引用本文院孙中宙袁包健袁高晓斌袁等.带稳定翼四斜叶-Rushton 组合桨釜内转速对流场的影响咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院500-504曰533.搅拌釜作为化工行业最常见的单元设备袁釜内流体流动特性直接影响着原料混合质量袁进而影响化学反应进行程度袁对提高产品质量尧降低能耗具有决定作用遥 目前袁搅拌釜内流场模拟技术以CFD方法为主咱1暂袁国内外一些学者利用CFD方法对不同类型搅拌器釜内流场进行过许多研究遥其中袁王志杰等利用CFD的方法对Rushton涡轮桨釜内流场特性和颗粒运动行为进行研究袁发现釜内流场和颗粒运动均呈现循环流特性咱2暂遥 姜蒙霞对低雷诺数下搅拌釜内标准直叶涡轮桨周的流场特性进行了实验研究袁结果表明Re约1000时袁湍动能分布受雷诺数影响较大袁即Re增大湍动能增大袁而当1000Re斜叶桨袁 圆盘涡轮桨开启涡轮桨桨式袁其中圆盘涡轮桨的剪切性能是桨式的近似2倍咱8暂遥 由此可知袁由于标准k鄄着模型对桨叶附近流体区域的湍动程度做了与实际流体的湍动程度较为相似的处理袁并且对于计算机的要求相对较低袁成为学者广泛使用的模拟方法遥文中采用标准k鄄着模型进行稳态模拟遥 标准k鄄着模型是以关于湍动能k的方程为基础袁 将关于湍动能耗散率着的方程引入其中袁 共同组合而成的两方程模型遥 对湍动能k和湍动能耗散率着的两个控制方程进行求解袁实现流体流动的解析遥 标准k鄄着湍流模型的湍动能k和湍动能耗散率着的约束方程如下院501化工机械2023 年化工机械鄣渊籽k冤鄣t+鄣渊籽kuj冤鄣xj=鄣鄣xj滋+滋t滓k蓸蔀 鄣k鄣xj蓘蓡+籽渊Pk-着冤渊1冤鄣渊籽着冤鄣t+鄣渊籽着uj冤鄣xj=鄣鄣xj滋+滋t滓着蓸蔀 鄣着鄣xj蓘蓡+籽着k渊C1Pk-C2着冤渊2冤式渊1冤尧渊2冤中xj为坐标分量袁籽为流体密度袁t为时间袁滋为分子粘性系数袁Pk是湍动能生成项袁定义为院Pk=滋t籽鄣ui鄣xj+鄣uj鄣xi蓸蔀鄣ui鄣xj渊3冤ui尧uj为平均相对速度分量袁滋t为湍动粘度系数袁其表达式为院滋t=籽C滋k2着渊4冤式渊1冤渊4冤中C滋尧滓k尧滓着尧C1尧C2为常数项袁取值分别为院滓k=1.0袁滓着=1.3袁C1=1.44袁C2=1.92袁C滋=0.09遥1.4模拟工况及计算设置文中模拟工况设置如下院 组合桨离底距c1为150 mm袁桨间距c2为145 mm袁转速N分别为70尧90尧110尧130 r/min遥 在模拟计算设置中袁介质甘油-水溶液的密度为1 022.1 kg/m3袁 粘度为29.5 mPa 窑 s遥设置桨叶和桨叶动区域的参考系和静区域的参考系袁设置桨叶转速遥 设置通过标准k鄄着模型对流场进行稳态计算时袁 对于时间推进方面利用SIMPLE算法遥2数值模拟结果与分析2.1不同转速下釜内流场流型分析搅拌釜内流场流型可以简单地分为轴向流尧径向流和斜向流咱9暂袁其中轴流型流场循环效果较好袁径向流型流场剪切效果较好尧分散能力强遥 图5为不同转速下CFD模拟流型图袁通过模拟结果可以看出袁 带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨在釜内流场形成两个大的循环流动袁 流型在N=70 r/min和N=90 r/min时相似袁 都在下层Rushton桨产生的径向射流形成切割效果袁在釜内形成上下两个相交的循环流动曰 当转速提升至N=110 r/min时袁上层桨的稳定翼的切割推流作用表现明显袁配合射流形成了一个刮吸作用袁在组合桨中间区域形成了一个高速的涡旋袁增强了传质能力曰随着转速的进一步提升袁组合桨中间区域形成的涡旋增大不明显袁稳定翼的切割推流作用提升不大袁表明N=110 r/min釜内流型最佳遥2.2不同转速下釜内流场速度场分析图6为不同转速下CFD模拟速度云图遥 模拟结果显示袁转速N=70 r/min时袁此时搅拌桨对远桨区域的影响较小袁釜内流场速度分层明显袁在釜内上部和釜壁附近速度较低袁 出现深蓝色低速区域和浅蓝色较低速区域袁 尤其是釜内上部较低速区域较大袁 在搅拌轴附近的桨叶连接处也出现深蓝色低速区域遥 转速增加至N=90 r/min时袁此时釜内流场速度分层有明显的改善袁但釜内高速区域较小袁 且远桨区域的速度分层和釜内上部分的深蓝色低速区域并未消失遥 当转速继续提升至N=110 r/min时袁 釜内桨叶附近的高速区域增大袁且此时远桨区域的速度不再分层袁釜内上部分的深蓝色低速区域趋近消失袁 速度分布较好遥 转速进一步增加至N=130 r/min时袁釜内桨叶附近的高速区域进一步增大扩展袁 釜内壁和轴附近的深蓝色低速区域进一步减小袁但是减小不明显袁釜内速度分布改善不大袁从节约能源的角度考虑袁转速N=110 r/min为最佳转速工况遥图5不同转速下釜内流型图502第 50 卷第 4 期化工机械化工机械图7为不同转速下轴向高度z/h=0.48处横截面的CFD模拟速度云图袁从图中可以看出转速较低时釜内各个区域速度差别明显袁 速度分布不佳遥 转速增加为N=90 r/min时袁高速区域扩展袁釜壁附近速度改善明显袁但近桨区域深绿色速度区域和远桨区域的浅绿色速度区域以及桨叶处红色高速区域并未相连袁 表明釜内速度分布还是分层的遥 随着转速继续增加至N=110 r/min时袁 桨叶处红色高速区域相连袁釜中呈现出深绿色速度区域袁分层现象改善明显遥 随着转速进一步增加至N=130 r/min时袁釜内流场速度进一步提升袁而釜内流场的速度分布改善不明显袁 模拟结果进一步验证了上述结论遥图6不同转速下釜内速度云图2.3不同转速下釜内流场湍动能分析湍动能可以衡量流场的湍动程度袁且湍动能也是流场能量变化的表现形成袁 所以学者们通过湍动能研究流场的微观变化情况遥 林伟振等利用CFD的方法对改进型INTER鄄MIG桨釜内尾涡进行了数值模拟袁 探讨了尾涡与湍动能之间的关系袁发现湍动能最大值位于两尾涡之间袁并且湍动能随着尾涡的发展而增大尧 尾涡的衰弱而减小咱10暂遥湍动能k的计算公式为院k=12渊u忆2+v忆2+w忆2冤渊5冤其中袁u忆2为径向脉动速度平方均值曰v忆2为轴向脉动速度平方均值曰w忆2为切向脉动速度平方均值遥利用轴向尧径向无因次化速度分析流场能量变化袁 模拟条件下利用Tecplot Focus软件进行后处理获得湍动能云图遥图8为不同转速工况下轴向截面的CFD模拟湍动能云图遥 当转速N=70 r/min时袁 此时转速较低袁釜内湍动能近桨叶附近较高袁在釜内上部分和釜底湍动程度较低袁转速提升至N=90 r/min时袁釜内上部分和釜底湍动程度增强袁桨叶附近湍动程度也增强袁但可以看到釜内上部分和釜底湍动能还是不够袁能量分层明显袁轴下方区域湍动能没有改善遥 转速N=110 r/min时袁釜内上部分和釜底的湍动能分层消失袁 釜内湍动能分布较好袁但是釜壁和轴附近的低湍动能区域还是存在袁转速进一步提升至N=130 r/min时袁可以看到釜壁和轴附近的低湍动能区域有所减小袁但整体上看以功图7不同转速下轴向高度z/h=0.48处横截面速度云图503化工机械2023 年化工机械耗为代价湍动能分布改善并不明显袁 故转速N=110 r/min为最佳转速工况遥图9为不同转速工况下轴向高度z/h=0.48处横截面的CFD模拟湍动能云图袁 横向截面湍动能分布与图8轴向截面湍动能规律相似袁 当转速较低时袁 远桨区域受桨叶影响较小湍动程度较低袁转速提升至N=90 r/min时袁 从桨叶到釜壁出现湍动能分层袁轴附近湍动程度有所增强袁转速增加至N=110 r/min时袁釜内上部分和釜底的湍动能分层消失袁釜内湍动能分布较好袁但是釜壁和轴附近的低湍动能区域还是存在袁转速进一步提升至N=130 r/min时袁釜内整体湍动程度增强袁釜壁和轴附近的低湍动能区域有所减小袁桨叶附近高湍动区增大遥图8不同转速下釜内湍动能云图3结论3.1转速N=110 r/min时袁釜内流型最佳袁此时釜内为径向流袁 稳定翼的切割推流作用表现明显袁在釜内组合桨中间区域形成一个高速涡旋袁增强了混合效果遥3.2搅拌器转速对釜内的速度分布有一定的影响袁釜内低速区域随着搅拌器转速的增大而逐渐减小袁转速N=110 r/min时袁远桨区域的速度分层消失袁速度分布较好遥3.3搅拌器转速对釜内湍动能的分布影响显著袁随着转速的提升袁 釜内流体的湍动程度明显增强袁转速N=110 r/min时釜内上部和釜底的湍动能分层消失袁釜内流体的湍动程度较高遥参考文献咱1暂王福军.计算流体动力学分析院CFD软件原理与应用咱M暂.北京院清华大学出版社袁2004.咱2暂王志杰袁赵彦琳袁姚军.Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及颗粒运动行为数值模拟咱J暂.化工进展袁2021袁40渊12冤院6479-6489.咱3暂姜蒙霞.低雷诺数下搅拌槽/反应器内流动特性的实验研究咱D暂.北京院北京化工大学袁2013.咱4暂陈帅袁周勇军袁林伟振袁等.改进型三斜叶-Rushton组合桨槽内流场特性研究 咱J暂.高校化学工程学报袁2021袁35渊3冤院455-463.咱5暂刘培坤袁张瑞袁杨兴华袁等.涡轮式与推进式搅拌釜的数值模拟研究咱J暂.化工机械袁2017袁44渊1冤院84-87曰96.咱6暂熊一民袁杨建兴袁吴长松袁等.6种常规工业搅拌器的渊下转第 533 页冤图9不同转速下轴向高度z/h=0.48处横截面湍动能云图504第 50 卷第 4 期化工机械化工机械效能相似分析咱J暂.化工机械袁2020袁47渊5冤院612-616曰682.咱7暂王小纯袁占细峰.基于CFD的搅拌反应罐内部流场的数值模拟咱J暂.轻工机械袁2013袁31渊1冤院9-14曰19.咱8暂吴梦楚袁吴长松袁梁佳赟袁等.6种常规搅拌器的剪切性能研究咱J暂.化学工程袁2017袁45渊8冤院68-73.咱9暂唐红叶.发酵法生产茁-胡萝卜素的搅拌反应器的流场分析咱D暂.天津院河北工业大学袁2013.咱10暂林伟振袁周勇军袁王璐璐袁等.改进型INTER鄄MIG桨尾涡结构的PIV试验与模拟 咱J暂.排灌机械工程学报袁2021袁39渊2冤院158-164曰171.渊收稿日期院2022-07-04袁修回日期院2023-07-11冤Influence of Four鄄pitched Blade鄄Rushton Combined Impellers withStabilizers on the Flow Field within Stirred TankSUN Zhong鄄zhou1,BAO Jian2,GAO Xiao鄄bin1,QIN Xiao鄄bo1,ZHOU Yong鄄jun1渊1.College of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University曰2.National Quality Inspection and Testing Cent