新型攪拌器三維流場基礎(chǔ)上改進(jìn)

孫利（鄭州化工與能源有限公司，河南 鄭州 450001）

攪拌設(shè)備使用歷史悠久，大量應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保處理等行業(yè)中[1]。國內(nèi)外關(guān)于攪拌器的流場研究已經(jīng)有很多的文獻(xiàn)。畢學(xué)工等[2]使用Fluent對攪拌工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究槳葉長度、攪拌頭插入深度及轉(zhuǎn)速對攪拌效果的影響。張鎖龍等[3]對軸流槳及45°三葉折葉槳攪拌流場、功率的測試進(jìn)行了對比及分析，得到了槳葉安裝高度對槳葉性能的影響。侯權(quán)等[4]對攪拌反應(yīng)罐流場的各影響因素（如槳間距等）進(jìn)行分析和研究，提出了攪拌反應(yīng)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向和措施。本文基于ANSYS Workbench 13.0 對新型攪拌器進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，為攪拌器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參數(shù)及有效的分析方法。

1 理論基礎(chǔ)

假設(shè)：攪拌槽內(nèi)流體為穩(wěn)定流動，忽略周期湍流。計(jì)算遵循以下定律[5]：

(1)連續(xù)方程：

(2)動量方程：

式中ρ 表示流體密度，μ 表示流體速度，P 表示流體靜壓力，ρgi表示重力體積力，F(xiàn)i表示外部作用力所產(chǎn)生的體力，同時(shí)還可以包括其它模型源項(xiàng)或用戶自定義源項(xiàng)，τij表示粘性應(yīng)力張量。

（3）能量方程：

其中方程右邊前三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性耗散項(xiàng)；Sh包括了化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源的源項(xiàng)，Keff表示有效導(dǎo)熱系數(shù)，J'表示組分J'的擴(kuò)散通量，T 表示流體溫度，E表示總能。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

新型攪拌器：新型攪拌器是基于六斜葉攪拌器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。是將矩形葉片改為T 型葉片，因此成為六T 型攪拌器。攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉T 型處的寬度分別為40mm和20mm，槳葉的傾斜角度為45°，槳葉的厚度為4mm。

六斜葉攪拌器：依據(jù)HG/T3796-2005 選取攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉的寬度為40mm，槳葉的傾斜角度為45°，槳葉的厚度為4mm。

六直葉攪拌器：依據(jù)HG/T3796-2005 選取攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉的寬度為40mm，槳葉的厚度為4mm。

設(shè)置攪拌軸直徑為30mm，攪拌罐直徑為600mm，攪拌角速度為5rad/s

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench 13.0 中自帶的方法Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于模型的處理是把攪拌器附近區(qū)域設(shè)為攪拌槳區(qū)，把攪拌罐中其他區(qū)域設(shè)為攪拌槳外區(qū)。攪拌槳區(qū)設(shè)置為直徑為220mm，高50mm 的柱形區(qū)域；攪拌槳外區(qū)設(shè)置為直徑為600mm，高600mm的柱形區(qū)域。

3 攪拌器三維流場分析

3.1 攪拌罐內(nèi)水流速度分布

通過Fluid Flow 對三種形式的攪拌器進(jìn)行三維流場分析，液流的高速區(qū)主要集中在攪拌槳葉附近，以及在攪拌區(qū)的上下形成的帶狀區(qū)域，攪拌罐的壁面處流速較低攪拌效果不好。新型攪拌器較六斜葉、六直葉攪拌器的混合效果較好，流速分布均勻。

在攪拌器中間截面上液流的高速區(qū)主要集中在攪拌槳葉附近，流速從槳葉處的最大漸變到攪拌罐壁面處零。

3.2 沿軸方向流速變化

通過FLUENT 對三種攪拌器分別進(jìn)行流場分析，取平行于攪拌軸，且與攪拌軸的距離為0.15m處直線上的流體速度變化。

圖1 0.15m處的流速Fig.1 The flow rate of the 0.15m location

從圖1中可以看出，三種攪拌器在相同的轉(zhuǎn)速下，新型攪拌器（T型葉）在0.15m處的流速比六斜葉攪拌器和六直葉攪拌器的流速高，因此其攪拌混合性能好。

4 新型攪拌器結(jié)構(gòu)分析

將FLUENT 中計(jì)算的新型攪拌器的結(jié)果導(dǎo)入Static Structural中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算攪拌器上的應(yīng)力和變形。

攪拌器在全速航行工況時(shí)，攪拌器的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉根處，最大應(yīng)力值為0.063038MPa。攪拌器的最大位移出現(xiàn)在葉尖處，最大位移量為0.00044013mm。這個(gè)位移量相當(dāng)于攪拌器幾何尺寸是微小量，故本文中未考慮水動力和重力引起的槳葉變形對攪拌器的水動力性能的影響。

5 新型攪拌器模態(tài)分析

新型攪拌器靜態(tài)模態(tài)固有頻率與預(yù)應(yīng)力模態(tài)固有頻率在數(shù)值上相差不大，說明流固耦合場對攪拌器固有頻率影響較小。

新型攪拌器在預(yù)應(yīng)力下進(jìn)行前6 階模態(tài)分析，當(dāng)頻率為57.418Hz 時(shí)，將發(fā)生二階共振二階共振主要形式為揮舞振動，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當(dāng)頻率為304.10Hz時(shí)，出現(xiàn)三階共振，三階共振主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

6 結(jié)語

（1）通過新型攪拌器（T型葉）與六斜葉攪拌器、六直葉攪拌器的攪拌性能的對比得出新型攪拌器的攪拌性能比六斜葉、六直葉攪拌器的攪拌性能好。

（2）基于Workbench13.0 對新型攪拌器進(jìn)行流固耦合數(shù)值分析得出最大應(yīng)力、最大應(yīng)變都發(fā)生在攪拌器葉片的葉根處，最大應(yīng)力為0.063038MPa，最大變形量發(fā)生在攪拌器葉尖處，最大變形量為0.00044013mm。

（3）基于Modal 對新型攪拌器進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析得到了其前6 階的固有頻率，當(dāng)攪拌器葉片的頻率為57.418Hz時(shí)發(fā)生二階共振，主要形式為揮舞振動，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當(dāng)其頻率為304.10Hz時(shí)出現(xiàn)三階共振，主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

（4）對結(jié)果進(jìn)行分析，得出攪拌槳葉片的受力分布形態(tài)和規(guī)律，為進(jìn)一步研究疲勞壽命、斷裂分析和葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

[1]畢學(xué)工，岳銳等.基于Fluent的攪拌模研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.

[2]張鎖龍，沈惠平等.JH型軸流式攪拌槳流場分析及設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程，1999，27（5）：26-29.

[3]侯權(quán)，潘紅良，馮巧波.基于Fluent的攪拌反應(yīng)罐流場的優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21（03）：78-83.

[4]張馳宇，尹俠等.雙層圓盤渦輪式攪拌器的CFX流場模擬[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.