直斜錯(cuò)位槳攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的探究

舒安慶，王敏，魏化中，劉康

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

直斜錯(cuò)位槳攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的探究

舒安慶，王敏，魏化中，劉康

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

為了進(jìn)一步增強(qiáng)直斜錯(cuò)位攪拌槳的攪拌效果.對(duì)槳葉直徑D＝160 mm，不同槳葉間距的攪拌槳進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)分析它們的宏觀流場(chǎng)特征，綜合速度、軸向速度、徑向速度、切向速度的變化規(guī)律及死區(qū)分布規(guī)律，探究直斜錯(cuò)位槳的最優(yōu)槳葉間距.結(jié)果表明：當(dāng)槳葉間距在3D/4-3D/4范圍內(nèi)，各速度分布的不均勻性較小，攪拌槽中基本無(wú)死區(qū)且流體的循環(huán)范圍最廣.當(dāng)槳葉間距在D/2-D范圍內(nèi)，高速區(qū)范圍最大，且無(wú)明顯變化.當(dāng)槳葉間距在3D/4-D范圍內(nèi)，流體的平均速率較大，當(dāng)槳葉間距為3D/4時(shí)，軸向速度和徑向速度較大，故攪拌效果較佳，混合效率較高.因此，槳葉間距在3D/4-7D/8范圍內(nèi)可取最佳值.

直斜錯(cuò)位攪拌槳；槳葉間距；FLUENT；流場(chǎng)；優(yōu)化

0 引言

攪拌設(shè)備在化學(xué)工業(yè)、生物工程、制藥工程、材料加工及食品加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］.現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)越來(lái)越向復(fù)雜化和大型化發(fā)展，單一的槳型已不能滿足對(duì)物料的混合要求［2］.攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)介質(zhì)混合效果的好壞至關(guān)重要，對(duì)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性的深入了解是攪拌設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［3］.在直斜錯(cuò)位槳中，攪拌槳的直徑、寬度、槳葉間距、直斜葉在攪拌槽中的分布位置，都會(huì)引起攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的變化.王令閃采用數(shù)值模擬的方法對(duì)最大葉片式槳結(jié)構(gòu)尺寸做了優(yōu)化，得到了最佳結(jié)構(gòu)尺寸組合［4］.目前，對(duì)雙層槳和錯(cuò)位槳的研究也有很大的進(jìn)展，梁瑛娜等采用數(shù)值模擬的方法，研究了雙層直斜葉及直斜組合攪拌槳攪拌槽三維流場(chǎng)特性［5］，崔蘊(yùn)芳驗(yàn)證了六直葉交錯(cuò)上下變位對(duì)隔離區(qū)的破壞作用以及對(duì)流場(chǎng)的改善情況［6］.而對(duì)直斜錯(cuò)位槳結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究則較少.

通過(guò)FLUENT軟件，采用多重參考系（MRF）的方法，探究了槳葉間距對(duì)直斜錯(cuò)位攪拌槳的流場(chǎng)的影響，對(duì)直斜錯(cuò)位槳的槳葉間距進(jìn)行了優(yōu)化，為直斜錯(cuò)位槳的設(shè)計(jì)及安裝提供參考.

1 攪拌槽結(jié)構(gòu)和控制方程

采用FLUENT軟件對(duì)直斜錯(cuò)位攪拌槳流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，攪拌介質(zhì)為水，其操作密度為998.2 kg/m3，操作粘度為0.001 003 kg／m·s.文中使用直徑D1＝500 mm攪拌槽，液面高度H＝460 mm，攪拌軸直徑d＝34 mm，擋板寬度a＝25 mm，厚度b＝4 mm，長(zhǎng)度l＝450 mm.攪拌槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.攪拌流場(chǎng)的控制方程組：

圖1 攪拌槳結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1The structure of agitators

表1 攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table1The size of agitators

1）連續(xù)方程

2）動(dòng)量方程

2 模擬求解的方法

由于攪拌槽和攪拌槳的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了提高近槳區(qū)的計(jì)算精度，將近槳區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理［7］，整個(gè)攪拌模型被劃分為103 099個(gè)網(wǎng)格.模擬計(jì)算采用的是MRF多重參考系模型，槳葉所在區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系［8］.因此，將攪拌槽整體區(qū)域分為包括攪拌槽的靜區(qū)和包括攪拌槳的動(dòng)區(qū)，設(shè)置為FLUID.攪拌器和攪拌軸都設(shè)為動(dòng)壁面WALL，攪拌槽壁和擋板設(shè)為靜壁面WALL，攪拌槽頂部為自由液面，攪拌槽中動(dòng)區(qū)和靜區(qū)的重合面設(shè)為交接面，F(xiàn)LUENT在計(jì)算過(guò)程中，自己在交接面處進(jìn)行插值傳遞.求解器選用壓力基求解器，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k－ε雙方程湍流模型，數(shù)值模擬的攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為5 rad／s，設(shè)定流動(dòng)性質(zhì)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，使用穩(wěn)態(tài)隱式分離求解，動(dòng)量方程按照一階迎風(fēng)格式離散求解，壓力速度耦合選用SIMPLE.改變槳葉間距，分別通過(guò)FLUENT軟件模擬其流場(chǎng).

3 結(jié)果分析

3.1 宏觀流場(chǎng)分析

圖2 攪拌槽中y＝0截面速度矢量圖Fig.2The velocity vector of Y＝0 cross section in stirred tanks

3.2 速度分布

圖3 速率變化曲線圖Fig.3The change of the velocity

圖4 綜合速度沿軸向變化曲線圖Fig.4The change of the velocity along the axial

3.3 死區(qū)分布

4 結(jié)語(yǔ)

致謝

感謝武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院過(guò)程裝備模擬與仿真實(shí)驗(yàn)室所有成員對(duì)該研究的支持和幫助！

［1］梁瑛娜.直－斜葉組合槳攪拌槽內(nèi)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2008.

LIANG Ying-na.Study on the numerical simulation and experiment of the Three-dimensional flow field in Straight-gradient impeller stirred tank［D］.Qin huangdao：Yanshan University，2008.（in Chinese）

［2］于亞輝.雙層交錯(cuò)槳攪拌槽層流流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

YU Ya－h(huán)ui.Numerical simulation and experimental Research on the flow field ofDouble-staggered impller stirredtank［D］.Qinhuangdao：Yan shan University，2008.（in Chinese）

［3］張少坤，尹俠.雙層槳攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.食品與機(jī)械，2011，27（1）：71－73.

ZHANG Shao-kun，YIN Xia.Numerical simulation of fluid flow in stirred tank with double impellers［J］.Food&Machinery，2011，27（1）：71－73.（in Chinese）

［4］王令閃.數(shù)值模擬法優(yōu)化最大葉片式槳結(jié)構(gòu)尺寸的研究［D］.煙臺(tái)：煙臺(tái)大學(xué)，2011.

WANGLing-shan.Studyontheoptimizationof maxblend impeller structure size by numerical simulation［D］.Yantai：Yantai University，2011.（in Chinese）

［5］梁瑛娜，高殿榮.雙層直斜葉及其組合葉槳攪拌槽三維流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（11）：290－297.

LIANG Ying-na，GAO Dian-rong.Numerical simulation of the three-dimensional flow field in stirred tank with double straight and inclined impeller and its combination［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineer ing，2008，44（11）：290－297.（in Chinese）

［6］崔蘊(yùn)芳.錯(cuò)位葉片攪拌槽內(nèi)的混沌混合模擬和實(shí)驗(yàn)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

CUI Yun-fang.Chaotic simulation and experimental research of the flow field stirred by dislocated blades［D］.Jinan：Shandong University，2008.（in Chinese）

［7］魏化中，陶保林，舒安慶,等.磷酸陳化槽兩相流攪拌的數(shù)值模擬［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012，34（12）：54－57.

WEI Hua-zhong，TAO Bao-lin，SHU An-qing，et al.Numerical simulation of two phase flow in phosphate aging tank［J］.J Wuhan Inst Tech，2012，34（12）：54-57.（in Chinese）

［8］童長(zhǎng)仁，李俊標(biāo)，黃金堤,等.基于多參考系與滑動(dòng)網(wǎng)格模型的攪拌器流場(chǎng)仿真［J］.山西冶金，2011，34（2）：4-6.

TONG Chang-ren，LI Jun－biao，et al.Based on multireference with sliding mesh of the stirrer flow field simulation［J］.Shanxi Metallurgy，2011，34（2）：4-6.（in Chinese）

Flow field in stirred tankof straight-gradient dislocated agitator

SHU An-qing,WANG Min,WEI Hua-zhong,LIU Kang
SchoolofMechanical&electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan430205,China

To improve thestirringperformance,the fluid flow in stirred tank withdifferent agitators was numerically simulated by FLUENT as agitators diameter is 600 mm.The optimal span of the agitator was explored by analyzingthe characteristic of flow field,the distribution of velocity,axial velocity,radial velocity,tangential velocity and dead-zone volume.The researchindicates that the larger area of fluid circulation and the more uniformvelocity distribution appear in stirred tank,and dead-zone largely disappears whenthe span of blades is between 3D/4 and 7D/8;the large-scale regional speedy fluid is observed and itdoes not change obviously when the span is between D/2 and D;the fluid moves with the larger average velocity in stirredtank when the span is between 3D/4 and D;the better mixtureperformance and higher stirred efficiency can be obtained due to the largeraxial velocity and radial velocity when the span is 3D/4.Therefore,the optimal span of blades can be obtained in thescope of 3D/4 to 7D/8.

straight-gradientdislocated agitator;span;flow field

TH137

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.010

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0044－05

2014－09-12

舒安慶（1964－），男，浙江寧波人，教授，碩士.研究方向：壓力容器壓力管道、流體機(jī)械和攪拌設(shè)備的研究開發(fā)、新型高效過(guò)程裝備及仿真技術(shù).