渦輪攪拌器攪拌特性數(shù)值模擬與實驗研究

楊 紅，張遠新，王程祥，肖 臻，舒安慶

（武漢工程大學(xué)機電學(xué)院,湖北 武漢 430073）

攪拌與混合操作，是最常規(guī)的過程單元操作之一。當(dāng)今的攪拌技術(shù)已進入快速發(fā)展時期，并積累了大量可用于分析和預(yù)測混合體系的設(shè)計經(jīng)驗和關(guān)聯(lián)式，但由于流體混合體系的多樣性和物料本身流變特性的復(fù)雜性，導(dǎo)致了流場的復(fù)雜多變。目前對于攪拌設(shè)備的選型和設(shè)計，主要依據(jù)為攪拌槽內(nèi)的宏觀流動特性。研究者對攪拌槽內(nèi)的宏觀流動特性進行充分的研究，可以給出定性化判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，但其經(jīng)驗性較強，依賴于小規(guī)模試驗結(jié)果，不能預(yù)測真實過程中各種場及攪拌槽內(nèi)過程特性，因此很難向幾何參數(shù)、操作條件不同的過程推廣，對其優(yōu)劣難以用理論預(yù)測，因而研究的重點越來越注重于對攪拌的微觀研究。從更微觀更本質(zhì)的角度，采用先進的測試手段和計算流體力學(xué)方法，獲取攪拌設(shè)備中的速度場、溫度場和濃度場，不僅對攪拌與混合設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計具有重要的經(jīng)濟意義，而且對放大和混合的基礎(chǔ)研究，具有現(xiàn)實的理論意義[1～2]。

對攪拌設(shè)備內(nèi)部流場測量的實驗裝置，一般比較昂貴，實驗周期長，有些過程甚至無法實驗測量，而CFD 軟件的出現(xiàn)，極大地促進了攪拌混合研究。CFD 最重要的應(yīng)用，是對流場的分析，可以明確在不同攪拌器的型式、尺寸、離底距離等條件下，流場對混合、懸浮和分散等過程的影響，即CFD 流動、能量耗散等的計算可視化。從而使用戶可以直觀地了解釜內(nèi)的混合情況，幫助用戶確定已存在系統(tǒng)中的問題，指導(dǎo)用戶進行攪拌器的優(yōu)化設(shè)計[3-8]。目前國外的專業(yè)混合設(shè)備公司，已經(jīng)利用CFD技術(shù)優(yōu)化攪拌器的幾何尺寸，開發(fā)了第二代高效軸向流攪拌器。

渦輪攪拌器是工業(yè)上最常用的攪拌器型式，針對幾種典型的渦輪攪拌器形式，本文就其攪拌流場和攪拌功率特性，分別進行了CFD 數(shù)值模擬和對比實驗研究，繪制了功率曲線，比較不同結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用特點，并比較了數(shù)值模擬結(jié)果與攪拌實驗結(jié)果的一致性。

1 研究對象

針對渦輪攪拌器的典型結(jié)構(gòu)，選取平直葉開啟渦輪式（PK）、平直葉圓盤渦輪式(PY)、45°斜葉開啟渦輪式（XK）這3種結(jié)構(gòu)形式，攪拌器具體尺寸參數(shù)見表1。

表1 3種攪拌器尺寸參數(shù) （單位：mm）

有機玻璃攪拌槽，內(nèi)設(shè)4個標(biāo)準(zhǔn)擋板，實驗室環(huán)境溫度為20℃，攪拌介質(zhì)為水。多功能升降式攪拌試驗臺，計算機自動控制，可自動測試攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率、溫度、粘度等參數(shù)。

2 Fluent 數(shù)值模擬

2.1 攪拌槽建模

按照實驗用的攪拌器及攪拌槽尺寸，使用Fluent軟件包內(nèi)的Gambit 建立攪拌槽的三維模型，采用Tgrid 方法將其劃分成四面體網(wǎng)格，應(yīng)用多重參考系模型（MRF）求解計算，在攪拌器周圍設(shè)置動區(qū)域，定義其內(nèi)的流體以攪拌槳相同轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，其他為靜區(qū)域，動區(qū)域的網(wǎng)格比靜區(qū)域細密，設(shè)置兩區(qū)域網(wǎng)格尺寸之比為5:6，劃分網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

圖1 Gambit 建立的攪拌槽模型

2.2 流場模擬及分析

將輸出的Mesh 文件導(dǎo)入到Fluent 中，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型。定義動靜區(qū)域內(nèi)為液體，其中動區(qū)域為MRF 并給定轉(zhuǎn)速。將軸和槳定義為動邊界，邊界類型均為壁面邊界，其中攪拌軸處于靜區(qū)域內(nèi)，相對于區(qū)域內(nèi)流體是運動的，給定絕對轉(zhuǎn)速，攪拌槳處于動區(qū)域，和周圍流體以相同轉(zhuǎn)速運動。將擋板的外表面與槽壁定義為靜止壁面邊界條件，將動靜區(qū)域的接觸面定義為3個界面（interface），壓力——速度耦合使用SIMPLE 算法，差分格式采用一階迎風(fēng)進行收斂。初始化后進行模擬計算，待殘差穩(wěn)定后，分別輸出3種攪拌器的速度矢量圖，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 平直葉攪拌器流場速度矢量圖

圖3 平直葉圓盤攪拌器流場速度矢量圖

圖2和圖3均為平直葉攪拌器，攪拌器剪切作用較大，屬于剪切型攪拌器，亦屬于徑流式攪拌器，流體在葉輪區(qū)產(chǎn)生高速徑向射流，流動方向垂直于攪拌軸，撞到擋板或者槽壁后，徑向排出流分成兩股流體，一股向上、一股向下流動，再回到葉端，形成上下兩個循環(huán)流動。而圖3所示的圓盤攪拌器，由于圓盤阻擋的存在，上下兩個循環(huán)中的流體基本不穿過葉片，而圖2所示的六直葉攪拌器則沒有圓盤這么規(guī)則。圖4為45°斜葉攪拌器的流動特性，不僅具有徑流式攪拌器的流動特性，而且在其葉面還有強大的軸向流動，使上循環(huán)中流體能夠透過葉片間隙進入下循環(huán)，屬于典型的混流式攪拌器，其攪拌混合作用最佳。

圖4 45°斜葉攪拌器流場速度矢量圖

2.3 攪拌功率計算

在Fluent 軟件模擬計算收斂后，使用Force Reports 功能，在opinion 項選擇moment（扭矩），moment center 選擇轉(zhuǎn)動軸，在wall zones 項選擇轉(zhuǎn)動部件為槳和軸，點擊Print 可輸出模擬的攪拌槳和軸的扭矩值，并由下述公式計算得到攪拌功率

式中，

M為扭矩，N·m；

ω為角速度，rad/s；

N為轉(zhuǎn)速，r/min。

計算出3種攪拌器在各級轉(zhuǎn)速下的攪拌功率，將所得的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成圖5所示的功率曲線圖。

3 攪拌實驗及對比分析

渦輪攪拌器攪拌實驗過程中，每次安裝一種攪拌器進行實驗，攪拌器轉(zhuǎn)速從20 r/min 開始逐漸升高，最高轉(zhuǎn)速達到380 r/min，每次增加20 r/min，試驗臺可以自動測出攪拌軸的扭矩，并進而計算出每次的攪拌功率。實驗得到3種渦輪攪拌器分別在不同攪拌轉(zhuǎn)速下的攪拌功率，與模擬計算值繪制在同一張圖上，可得到相應(yīng)的功率曲線，如圖5所示。

圖5 3種攪拌器模擬與實驗攪拌功率曲線

從實驗功率曲線可分析，隨著轉(zhuǎn)速增加，攪拌功率加速增大；相同轉(zhuǎn)速下六斜葉整體開啟渦輪式攪拌功率最小，能耗最低，攪拌效果比較理想；而平直葉攪拌器攪拌功率較大，兩者比較，在轉(zhuǎn)速較小時，平直葉圓盤渦輪式攪拌功率更大；而當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，六直葉整體開啟渦輪式攪拌功率增長更快，并最終超過圓盤渦輪式攪拌器，實驗表明，臨界轉(zhuǎn)速大致在200 r/min。

比較CFD 模擬功率曲線與實驗曲線，在低轉(zhuǎn)速下（低于260 r/min），模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合很好；而轉(zhuǎn)速增加時，偏差增大，這與數(shù)值模擬的模型簡化有關(guān)?？傮w來說，CFD 模擬功率值與實驗結(jié)果，有較好的一致性，數(shù)值模擬的結(jié)果對實驗有較好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語

渦輪攪拌器是最為常用的攪拌器型式之一。基于CFD 數(shù)值模擬和攪拌實驗測試技術(shù)，對渦輪式攪拌器的攪拌性能，進行對比研究具有重要意義?；贔luent 軟件的數(shù)值模擬中，在處理類似攪拌槽問題時，將攪拌軸、攪拌器及其周邊區(qū)域都設(shè)為動區(qū)域進行模型簡化處理，基于四面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，數(shù)值模擬方法選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，采用多重參考系模型(MRF)求解穩(wěn)態(tài)下的攪拌流場，較為合理。Fluent 軟件的Report 功能輸出的模擬扭矩值換算成的功率曲線和實測值，有很好的一致性，證明了CFD 數(shù)值模擬技術(shù)不僅可模擬攪拌流場分布，還可較為準(zhǔn)確地模擬計算攪拌功率，對攪拌設(shè)備優(yōu)化設(shè)計和實物實驗有進一步的指導(dǎo)作用。

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