攪拌釜內(nèi)流場三維數(shù)值模擬及功率預(yù)測

丁健華 馬 騰 陳 濤 楊象岳 劉延雷

（杭州市特種設(shè)備檢測研究院）

承壓攪拌釜 （如結(jié)晶釜、搪玻璃反應(yīng)釜、發(fā)酵罐等）作為典型的特種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)以及食品加工業(yè)中。攪拌功率、傳熱系數(shù)、混合時(shí)間和循環(huán)次數(shù)是攪拌器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，攪拌釜內(nèi)葉輪功率消耗的大小是攪拌釜內(nèi)液體攪拌程度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的度量，也是選擇電機(jī)功率的依據(jù)。各項(xiàng)攪拌參數(shù)的選用取決于攪拌釜內(nèi)所期望的流動(dòng)狀態(tài)。因此，采用計(jì)算流體力學(xué) （CFD）技術(shù)對攪拌釜內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，就可以獲得流場的詳細(xì)信息，進(jìn)而可以獲得各項(xiàng)攪拌特性參數(shù)，并將其用于攪拌釜的設(shè)計(jì)。

如何在保證大型攪拌釜內(nèi)攪拌效果的前提下設(shè)計(jì)合理的攪拌結(jié)構(gòu)，并保證攪拌器的強(qiáng)度和可靠性，這是近年來攪拌器設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和普及，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的流場仿真技術(shù)作為有效的分析計(jì)算手段，在兩相混合時(shí)間預(yù)測[1-5]、攪拌器流場結(jié)構(gòu)模擬和功率計(jì)算[6-8]等方面均得到廣泛的應(yīng)用，也有很多相關(guān)的科研論文發(fā)表。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對攪拌釜進(jìn)行流動(dòng)分析，并基于分析結(jié)果評價(jià)攪拌效果和預(yù)測攪拌器功率，從而為攪拌釜的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 物理模型

本文針對某攪拌釜攪拌器進(jìn)行分析，攪拌釜結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌釜最小液位為距封頭底部7.37 m，這部分容積為80 m3，為總?cè)莘e的60%；最高液位為距封頭底部10.89 m，這時(shí)的容積為120 m3，為總?cè)莘e的90%。操作介質(zhì)參數(shù)為：密度1100 kg/m3，黏度0.2 Pa·s。操作參數(shù)為：攪拌器轉(zhuǎn)速120 r/min，曝氣速率為8640 m3/h。

圖1 攪拌釜結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

由于攪拌器所需的攪拌功率取決于攪拌釜內(nèi)的流型和湍動(dòng)程度，攪拌功率與葉輪的形狀、大小、轉(zhuǎn)速和流體性質(zhì)、攪拌釜尺寸、釜內(nèi)擋板條件 （攪拌釜內(nèi)部換熱管道）以及葉輪在釜內(nèi)位置等有直接的關(guān)系。因此，模型的建立重點(diǎn)考慮了葉輪、攪拌釜、軸等結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸信息和位置信息，較真實(shí)地模擬了其實(shí)際條件。同時(shí)為提高計(jì)算效率，將換熱管簡化為擋板。流動(dòng)計(jì)算域的大小對應(yīng)攪拌釜裝料系數(shù)0.9時(shí)的情況 （此時(shí)介質(zhì)體積為120 m3）。網(wǎng)格劃分采用分塊技術(shù)，各塊采用不同大小的網(wǎng)格劃分，使整個(gè)流域都能采用高質(zhì)量網(wǎng)格。流體計(jì)算域的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，經(jīng)網(wǎng)格量無關(guān)性驗(yàn)證后選取的計(jì)算網(wǎng)格總量為7892343。

1.3 計(jì)算方法和邊界條件

本文采用有限體積法處理流體區(qū)域的方程離散，攪拌釜內(nèi)流場計(jì)算和分析基于大型計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent，計(jì)算域網(wǎng)格劃分采用軟件Gambit。

圖2 攪拌釜內(nèi)流場的三維模型及網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 攪拌釜流場分析

圖3～圖6所示為攪拌釜內(nèi)部速度場的詳細(xì)分布情況，同時(shí)還給出了縱截面和三個(gè)不同高度的橫截面上的速度分布情況。為便于表述，三個(gè)橫截面按幾何位置從低到高分別定義為1號(hào)截面 （距攪拌釜底部2000 mm）、2號(hào)截面 （距攪拌釜底部5000 mm）和3號(hào)截面 （距攪拌釜底部8000 mm）。從各速度分布圖可以看出，攪拌釜的攪拌效果良好。圖7給出了攪拌槳表面的壓力分布云圖。由圖7可以看到底層槳葉梢處壓力較高，相應(yīng)的葉輪功率較大。

進(jìn)一步對不同曝氣量的操作過程進(jìn)行了兩相流模擬，主要目的是預(yù)測該攪拌器在不同曝氣流量下穩(wěn)定工作的功率及釜內(nèi)流場的氣液體積分?jǐn)?shù)分布情況。前者為攪拌器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置提供參考，后者作為曝氣效果好壞的評價(jià)。

本文對五種曝氣量下的攪拌釜內(nèi)部流場分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的釜內(nèi)含氣率分別為0%、25%、33%、42%、50%。圖8～圖12為各含氣率下攪拌釜內(nèi)氣相體積分率分布情況。從圖中可見，釜內(nèi)氣相體積分率分布較為均勻，曝氣效果較為理想。

2.2 功率預(yù)測

圖3 攪拌釜縱向截面速度矢量圖

圖4 攪拌釜1號(hào)橫截面流場矢量圖

圖5 攪拌釜2號(hào)橫截面流場矢量圖

通過攪拌釜內(nèi)流場的分析，可得到各攪拌葉輪的扭矩、功率以及總扭矩和攪拌功率。分別對該攪拌釜的六種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，其中平均含氣率通過下式估算：

式中 Ф——平均含氣率；

PG——通氣攪拌功率 （預(yù)估），W；

PA——?dú)怏w膨脹功率，W；

圖6 攪拌釜3號(hào)橫截面流場矢量圖

圖7 攪拌釜攪拌器葉輪表面壓力云圖

圖8 攪拌釜內(nèi)氣相體積分率分布（未充氣）

圖9 攪拌釜內(nèi)氣相體積分率分布（含氣率25%）

圖10 攪拌釜內(nèi)氣相體積分率分布 （含氣率33%）

圖11 攪拌釜內(nèi)氣相體積分率分布 （含氣率42%）

圖12 攪拌釜內(nèi)氣相體積分率分布 （含氣率50%）

V——攪拌釜容積，m3；

Vs——通氣速率，m/s。

式中Hg——液位高度，m；

Hs——曝氣口高度，m；

QG——通氣流量，m3/s。

經(jīng)估算，在攪拌功率為500 kW時(shí)含氣率為31.6%，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。本文對其它不同含氣率工況也進(jìn)行了計(jì)算，具體預(yù)測結(jié)果如表1所示。從表1可以看到，隨著含氣率增加，攪拌功率呈下降趨勢，但無明顯線性關(guān)系。

表1 攪拌器功率預(yù)測結(jié)果

3 結(jié)論

利用CFD技術(shù)對攪拌釜內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了釜內(nèi)的流場分布情況，并基于流場的數(shù)值模擬結(jié)果獲得攪拌功率。從計(jì)算結(jié)果可以看到，釜內(nèi)流動(dòng)分布較為合理，不同液位高度的流動(dòng)較為均勻。

進(jìn)一步采用兩相流數(shù)值模擬技術(shù)對不同曝氣量下的釜內(nèi)氣液分布情況和功率進(jìn)行了預(yù)測。該方法可為該類攪拌器的設(shè)計(jì)選型提供參考。

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