基于Fluent的攪拌流場模擬研究

畢學工，岳 銳，周進東，楊 福

（武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢，430081）

KR脫硫法是將外襯為耐火材質的攪拌器浸入到鐵水罐內攪動，使之產生旋渦，被稱量過的脫硫劑經給料器加入到鐵水表面，被旋渦卷入的脫硫劑與高溫鐵水混合反應后達到脫硫的效果。FLUENT作為目前功能最全、使用最為廣泛的一款CFD軟件，被用作機械攪拌過程的流場模擬，它提供了單一旋轉系、多參考系、混合平面、滑動網(wǎng)格模型求解此類問題的途徑［1］。本文使用Fluent，對某鋼廠KR脫硫攪拌工藝過程進行數(shù)值模擬，探討槳葉長度、攪拌器插入深度、槳葉攪拌轉速對攪拌效果的影響。

1 模型的建立

1.1 控制方程

攪拌器三維流場數(shù)值模擬采用三維雷諾N－S方程及標準k－ε湍流模型［2－3］。在定常條件下，攪拌流場的不可壓縮流動可用下列方程組描述：

連續(xù)方程

式中：ux、uy、yz為相對速度分量；ui為沿i方向的速度分量（i＝1，2，3）；Fi為沿i方向的質量力；ρ為流體密度；P為壓力；ν為流體的運動黏性系數(shù)；νt為渦黏性系數(shù)；σk＝1.0；Pr為湍動能生成率；σε＝1.3；Cμ＝0.09；Cε2＝1.92；K為Von Karman常數(shù)；

1.2 鋼包及攪拌頭參數(shù)

對某鋼廠鋼包進行模擬，其液面高度為3 150 mm；液面處直徑為4 260 mm；底部直徑為3 700 mm。所模擬的攪拌頭幾何圖形如圖1所示，其兩種漿葉幾何尺寸如表1所示。

圖1 攪拌頭幾何圖Fig.1 Geometry of mixing blade

表1 長、短漿葉幾何尺寸 （mm）Table 2 Parameters of two kinds of mixing blade

1.3 網(wǎng)格劃分

在GAMBIT中作圖，做出網(wǎng)格。以mesh文件輸出，進入Fluent開發(fā)界面設置求解條件。模型的網(wǎng)格數(shù)為339 480。網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格圖（坐標原點位于攪拌槳底部中心）Fig.2 Grid map（the origin in blade bottom center）

1.4 計算方法

使用有限體積法求解離散方程，使用多重參考系（MRF）對不同區(qū)域內的流動狀態(tài)進行設定。假定動區(qū)域（Fluid－move）內的流體與攪拌槳具有相同的轉速進行旋轉，而攪拌槳外的靜區(qū)域（Fluid－static）內流體設定為靜止。將軸和槳定義為動邊界，邊界類型均為壁面邊界（Wall）。攪拌軸處于靜區(qū)域內，攪拌槳處于動區(qū)域內，攪拌漿和周圍的流體以相同的轉速運動，因此攪拌槳相對于動區(qū)域內的流體是靜止的。流體流動為定常流動，速度壓力耦合問題方程采用SLMPLE算法，離散格式采用二階迎風，所有項的殘差收斂范圍均為10－4。

2 結果與討論

2.1 流場分布

經Fluent計算達到收斂標準后，將計算數(shù)據(jù)導入后處理軟件Tecplot進行處理。由于模擬結果在XOZ面為對稱分布，對Y＝0截面的流場圖進行分析，該截面的速度分布圖以及速度矢量圖如圖3所示。從圖3中可看出，在截面上，流體形成4個環(huán)流，對稱分布在槳葉兩旁，其環(huán)流中心分別位于攪拌槳葉的上、下兩個區(qū)域，正是這樣的環(huán)流促進了不同區(qū)域內物料的混合，改善了整個容器區(qū)域的循環(huán)。隨著轉速的增高及流場內流速的增大，加劇了物質的擴散和傳輸。攪拌槳附近的液體流動速度大，帶動物料的輸運能力強，此區(qū)域的傳質效率高。相反，容器底部區(qū)域，尤其是槳中心正下方，液體質點只能獲得較小的流速，因而此區(qū)域最有可能成為物料堆積的死區(qū)。

圖3 Y＝0截面速度分布圖Fig.3 Velocity distribution on Y＝0 section

2.2 攪拌頭漿葉長度對鐵液流速的影響

圖4 長、短漿葉攪拌頭在Y＝0截面的流速圖（100 r／mim）Fig.4 Velocity distribution of long and short blades on Y＝0 section（100 r／mim）

分別對表1中長、短兩種漿葉尺寸的攪拌頭進行模擬，二者在Y＝0截面的流速圖如圖4所示。從圖4中可看出，長漿葉攪拌頭鐵液流速多為3 m／s，短漿葉攪拌頭鐵液流速多為1.5 m／s；同時長槳葉攪拌頭下部的低流速區(qū)域明顯比短槳葉攪拌頭下部的低流速區(qū)域小，可見尺寸為2B＝1 300 mm的長槳葉攪拌頭較之于短槳葉攪拌頭具有更好的攪拌效果。故選取長槳葉攪拌頭進行后續(xù)模擬。

2.3 攪拌頭插入深度對鐵液流速的影響

通過模擬計算，得出攪拌頭上部位于液面下不同深度處包頂、底面鐵液流速，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，攪拌頭位于液面下600 mm時，鋼包頂部鐵液流速出現(xiàn)3.5 m／s的峰值，且越靠近頂面，鐵液流速增大越快，但過快會引起噴濺。攪拌頭位于液面下900 mm時，鋼包底部鐵液流速出現(xiàn)4 m／s的峰值，且越靠近包底，鐵液流速增大越快，此時鐵液對鋼包底部沖刷也大。由于攪拌頭插入過深會增大攪拌阻力，影響攪拌頭壽命，故攪拌頭插入深度為液面下800 mm處較合適。

圖5 攪拌頭上部位于液面下不同深度處包頂、底面鐵液流速圖Fig.5 Velocity distribution diagram of iron melt at the top and bottom of the ladle，with the mixing blade at varied depths

2.4 攪拌頭轉速對鐵液流速的影響

在Tecplot中進行后處理，利用CAD對不規(guī)則區(qū)域進行面積計算。選擇三維多段線對不同速度區(qū)域進行標注，計算其面積，得出不同鐵液流動速度的面積累積百分比。不同攪拌頭轉速下鐵液流速累積分布曲線如圖6所示。由圖6中可以看出，隨著攪拌頭轉速的增大，低速區(qū)面積逐漸減小，攪拌效果不斷改善。當攪拌頭轉速為50 r／min時，鐵液流速最大值為1.5 m／s，鋼包中鐵液流速為1～1.5 m／s的區(qū)域居多，低于1 m／s的區(qū)域占10%左右，此時攪拌不充分；當攪拌頭轉速為80 r／min時，鐵液流速低于1.5 m／s的區(qū)域小于10%，鐵液流速高于2 m／s的區(qū)域達80%以上；當攪拌頭轉速增大到120 r／min時，鐵液流速最大值接近4 m／s，流速位于2～4 m／s的區(qū)域占90%以上，具有良好的攪拌效果；當攪拌頭轉速增至140 r／min后，鐵液流速高于4 m／s以上的區(qū)域增大，此時，鐵液流速過大，有可能產生鐵水噴濺或設備損壞等不良后果。故攪拌頭轉速選擇為80～120 r／min較合適。

圖6 不同攪拌頭轉速下鐵液流速累積分布曲線Fig.6 Accumulative distribution curve of iron melt flow velocity at different blades velocities

生產實際中攪拌頭轉速多為80～120 r／min，插入深度一般為鐵水液面下1 500 mm［4－6］。李鳳喜等［7］提出的武鋼二煉鋼KR鐵水脫硫生產中，攪拌頭轉速在90～120 r／min、插入深度為600 mm，這與本文得出的攪拌頭轉速為80～120 r／min、插入深度為800 mm的結論基本相符。

3 結論

（1）尺寸為2B＝1 300 mm的長槳葉攪拌頭具有較好的攪拌效果；

（2）攪拌頭插入深度為鐵液下800 mm左右為宜。

（3）攪拌頭轉速為80～120 r／min時可取得較好的攪拌效果。

［1］ 李進良，李承曦.精通FLUENT6.3流場分析［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009：278－298.

［2］ 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］ 李榮生，李維斌.攪拌器攪拌流場的三維數(shù)值模擬［J］.農機化研究，2003（4）：75－77.

［4］ 曾彤，歐陽德剛，李具中，等.鐵水罐KR機械攪拌式脫硫水模試驗研究及應用［J］.冶金信息導刊，2007（3）：27－29.

［5］ 楊樹森，賈猛.KR攪拌法鐵水預處理工藝簡介［J］.包鋼科技，2009，35（1）：85－87.

［6］ 劉榴，陳黎明.KR法鐵水脫硫主體設備介紹及有關計算［J］.冶金設備，2002（4）：36－39.

［7］ 李鳳喜，李具中.武鋼二煉鋼KR鐵水脫硫生產實踐［J］.煉鋼，2005（5）：1－5.