新型雙螺桿錨式槳的設(shè)計及攪拌流場模擬

秦　青，張敏革，林興華，黨明巖

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159；2.天津科技大學(xué)，天津 300222)

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新型雙螺桿錨式槳的設(shè)計及攪拌流場模擬

秦青1，張敏革2，林興華1，黨明巖1

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159；2.天津科技大學(xué)，天津 300222)

摘要：根據(jù)高粘性流體混合機(jī)理，設(shè)計一種新型雙螺桿錨式攪拌槳。利用FLUENT軟件對錨式槳和新型雙螺桿錨式槳進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析，研究了兩種攪拌槳的流場速度分布特性，以及在不同高度和不同流變指數(shù)下，無因次軸向、徑向和切向速度沿半徑變化規(guī)律和攪拌槳表面壓力分布。計算結(jié)果表明：新型攪拌槳在一定程度上改變了流體的流動方向，加強(qiáng)了軸向和徑向流動，說明這種攪拌槳對提高剪切作用和向全槽范圍內(nèi)進(jìn)行推動的循環(huán)作用有較大的促進(jìn)作用；在同一種攪拌槳的流場中，非牛頓流體中的高速流體分布區(qū)域面積遠(yuǎn)大于牛頓流體中的面積，并隨著流體流變指數(shù)的增大，無因次軸向、徑向、切向速度的峰值也增大。

關(guān)鍵詞：新型雙螺桿錨式槳；數(shù)值模擬；高粘度流體；流場特性

攪拌混合是化工、輕工、食品、制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中的一項重要單元操作，而攪拌槳作為攪拌設(shè)備內(nèi)重要的部件，其性能的高低直接影響到混合效率[1-2]。因此，根據(jù)流體特性，對新型攪拌槳的優(yōu)化和設(shè)計，研究其攪拌流場特性對提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率有著重大影響和作用。

計算流體力學(xué)(CFD)是在計算機(jī)數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，通過流變學(xué)的連續(xù)性方程、動量方程、能量守恒方程等基本方程建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而得到流體在流場中的定?；蚍嵌ǔＡ鲃拥脑敿?xì)情況。CFD技術(shù)自從引入攪拌混合領(lǐng)域，為攪拌槳的研究設(shè)計提供了一種新的思路和研究方法，突破了原先設(shè)計攪拌槳過程中實(shí)驗(yàn)條件的限制，節(jié)約了時間和成本，并且同時可以得到攪拌流場的宏觀以及微觀信息[3-4]。因此，本文根據(jù)高粘度流體的特性，在錨式攪拌槳基礎(chǔ)上設(shè)計研究出一種新型雙螺桿錨式攪拌槳，并通過CFD技術(shù)研究分析了新型攪拌槳與錨式槳在不同類型流體中的混合特性，通過對比分析驗(yàn)證了這種攪拌槳在攪拌高粘度流體方面的優(yōu)越性，為以后的實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1新型雙螺桿錨式槳的設(shè)計

在目前的工業(yè)化生產(chǎn)中，高粘度非牛頓流體的攪拌混合越來越普遍，由于其粘滯性較高，在攪拌混合過程中，對靜止的攪拌槽壁面產(chǎn)生較大的“依附”作用；并且其分子擴(kuò)散速率比較小，僅僅依靠流體質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用力很難帶動全槽流體進(jìn)行運(yùn)動，嚴(yán)重影響了其攪拌效果[5-6]。

根據(jù)高粘度流體的特點(diǎn)，使得應(yīng)用到其攪拌過程中的攪拌槳應(yīng)具有以下性能：一方面攪拌槳直徑要與攪拌槽直徑大小接近，這樣才能將粘附在攪拌槽壁面處的流體不斷地刮下來；另一方面具有較大的徑向和軸向推動能力，使流體在全槽范圍內(nèi)循環(huán)流動，這對攪拌效率的高低有重要影響。傳統(tǒng)錨式攪拌槳和螺帶槳是攪拌高粘度流體常用的槳型，其中錨式槳的直徑與攪拌槽直徑比值較大，可以起到刮壁作用，但是錨式槳主要產(chǎn)生的為切向流動，軸向混合效果不佳[7]；螺帶槳中因螺帶的存在，可以對流體進(jìn)行強(qiáng)制擠出流動，使其在全槽區(qū)域內(nèi)能夠較好地混合，然而，螺帶槳制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于工業(yè)放大[8]。

本文通過總結(jié)適用于高粘度流體攪拌槳的特征，創(chuàng)新性地設(shè)計出一種新型雙螺桿錨式槳。如圖1所示，在原錨式槳基礎(chǔ)上進(jìn)行改型，將錨式攪拌槳兩端扁平槳葉改為圓柱形，因?yàn)閳A柱形結(jié)構(gòu)更加符合流體力學(xué)特征，可以減小流體在攪拌過程中所受到的阻力。在圓柱形槳葉外部增裝螺旋帶，螺旋帶逆時針自兩端圓柱形錨式槳槳葉的底端旋轉(zhuǎn)到達(dá)攪拌槳的上端，螺旋帶的這種空間旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)有利于流體的軸向流動，并且使待混合流體的軸向速度沿軸線分布均勻，實(shí)現(xiàn)了流體在整個攪拌槽內(nèi)流場分布的優(yōu)化。

圖1　雙螺桿錨式槳二維圖

2計算模型及方法

2.1基本控制方程及本構(gòu)方程

攬拌槽內(nèi)流場的數(shù)值模擬是在建立控制方程的分析基礎(chǔ)上，在進(jìn)行計算時，流體的流動均遵循質(zhì)量守恒以及動量守恒定律，在數(shù)學(xué)上的表達(dá)式為連續(xù)性方程以及動量方程[8]：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：μ為流體的粘度；ρ為流體密度；P為壓力。式(1)～(4)稱為耐維·斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，該方程是以壓力和速度分量表示的流體運(yùn)動方程。

本構(gòu)方程：對于牛頓流體來說，流體粘度為一常數(shù)：

μ=constant

(5)

對于假塑性非牛頓流體，μ用表觀粘度ηa來代替，可以使用冪律模型來表述其剪切稀化性質(zhì)：

(6)

2.2物理模型

為了對新型攪拌槳改進(jìn)后的特性進(jìn)行分析，選取傳統(tǒng)錨式攪拌槳與其進(jìn)行對比，設(shè)定攪拌槽直徑為D，攪拌槳直徑為d，槳葉寬度為w，槳葉高度為h。對于雙螺桿錨式槳，其二維平面圖如圖1所示，具體尺寸如下：攪拌槽直徑D=240mm，攪拌槽高度H=240mm，攪拌槳直徑d=216mm，攪拌軸直徑d0=16mm，槳葉直徑d1=10mm，螺帶寬度w=10mm，螺紋間距s=40.2mm，槳葉高度h=216mm，d/D=0.9，h/d=1。

對于錨式攪拌槳二維平面圖如圖2所示，攪拌槽直徑D=240mm，攪拌槽高度H=240mm，攪拌槳直徑d=216mm，攪拌軸直徑d0=16mm，槳葉寬度w=20mm，槳葉高度h=216mm，d/D=0.9，h/d=1。

圖2　錨式槳二維平面圖

2.3攪拌介質(zhì)物性參數(shù)

本文選取甘油作為牛頓流體，其它不同流變指數(shù)的假塑性流體作為非牛頓流體進(jìn)行攪拌流場數(shù)值模擬，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)定義待攪拌混合流體的密度及粘度。

2.4計算方法

在GAMBIT中采用TGrid網(wǎng)格化方法對錨式槳和雙螺桿錨式槳進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在攪拌槳槳葉表面進(jìn)行局部加密，其中，錨式攪拌槳的網(wǎng)格數(shù)為1006115，雙螺桿錨式攪拌槳的網(wǎng)格數(shù)為1229303。利用FLUENT流體力學(xué)軟件，采用隱式分離求解算法，在層流粘性模型下，對壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)格式，壓力-速度耦合方程使用對壓力校正的半隱式連接壓力方程算法，以二階上迎風(fēng)格式作為離散格式。通過多重參考系法處理旋轉(zhuǎn)槳葉區(qū)域，靜止區(qū)域內(nèi)的流體轉(zhuǎn)速設(shè)定為零，運(yùn)動區(qū)域內(nèi)流體轉(zhuǎn)速與攪拌槳轉(zhuǎn)動速度相同。攪拌槽壁面定義為靜止壁面，攪拌軸與攪拌槳定義為動壁面，攪拌槳動區(qū)域和攪拌槽靜止區(qū)域的分界面設(shè)定成交界面。

3結(jié)果分析與討論

3.1速度分布云圖

圖3和圖4分別為錨式槳和雙螺桿錨式槳在牛頓流體甘油和非牛頓流體HPAM溶液中，轉(zhuǎn)速為14.33rpm時，XOZ截面速度分布圖。

表1攪拌介質(zhì)物性參數(shù)表

序號名稱分類密度ρ/(kg/m3)粘度μ/(Pa·s)稠度系數(shù)Kpsu/(kg/m·s2-n)流變指數(shù)/n1甘油[9]牛頓流體12630.875——22%XG[10]非牛頓流體100014.40.1832%紙漿溶液[9]非牛頓流體1165.815.410.3545%HEC溶液[11]非牛頓流體100529.20.425Carbopol940[12]非牛頓流體100027.80.5060.5%紙漿溶液[9]非牛頓流體999.62.10.7572.5×1073000mg/LHPAM溶液[8]非牛頓流體10001.20.46

圖3　甘油溶液中XOZ截面流場分布圖

圖4　HPAM溶液中XOZ截面流場分布圖

通過圖3和圖4對比可以看出，對于牛頓流體甘油和非牛頓流體HPAM溶液，在錨式槳和雙螺桿錨式槳轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)流體的速度為0.0644～0.137m/s左右，在攪拌軸中心處流速較小，為0～0.0161m/s，在攪拌槳兩端槳葉處，流體局部速度可達(dá)0.161m/s。這是由于攪拌槳在轉(zhuǎn)動過程中對流體傳遞動能，在攪拌槳葉處流體流速最大；同時由于流體所具有的粘性會消耗能量，在攪拌槳到攪拌槽壁之間，速度成遞減關(guān)系，攪拌槳葉至攪拌軸處流速也逐漸減小。

牛頓流體甘油的高速區(qū)域(0.0644～0.137m/s)在錨式槳攪拌區(qū)域內(nèi)約占50%，而在雙螺桿錨式槳攪拌區(qū)域內(nèi)約占60%。非牛頓流體HPAM溶液的高速區(qū)域(0.0805～0.145m/s)在錨式槳攪拌區(qū)域內(nèi)約占80%左右，在雙螺桿錨式槳攪拌區(qū)域內(nèi)約為85%左右，這說明新型槳對于流體在整個攪拌槽內(nèi)的循環(huán)流動起到了明顯的推動作用。同時，通過對同一攪拌槳在不同流體中的攪拌流場速度云圖對比分析可以看出，當(dāng)攪拌槽內(nèi)產(chǎn)生速度梯度時，在剪切速率大的區(qū)域，由于非牛頓流體剪切稀化的特性，使得流體粘度減小，在攪拌過程中所受阻力也減小，加快了流體在整個攪拌槽內(nèi)的循環(huán)流動，使得非牛頓流體的高速區(qū)域面積要大于牛頓流體的高速區(qū)域面積。

3.2不同高度處速度場分布

圖5為錨式槳和雙螺桿錨式槳在轉(zhuǎn)速為47rpm，工作介質(zhì)為非牛頓流體HPAM溶液中，無因次軸向速度在不同高度處沿半徑變化規(guī)律。

圖5　不同高度處無因次軸向速度沿半徑變化規(guī)律

通過圖5a、5b可看出，在Z/H=0.95和Z/H=0.5這兩個高度截面上，無因次軸向速度沿半徑變化規(guī)律相似。對于錨式槳，在靠近攪拌軸附近區(qū)域內(nèi)，無因次軸向速度值較小，隨著與攪拌軸距離的增大，無因次軸向速度略有增大，在攪拌槳附近，無因次軸向速度方向發(fā)生變化。對于雙螺桿錨式槳，靠近攪拌軸附近區(qū)域內(nèi)，無因次軸向速度值較小，隨著與攪拌軸距離的增大，無因次軸向速度逐漸增大，在靠近攪拌槳附近位置，無因次軸向速度方向發(fā)生變化，但是由于螺旋帶的存在，流體在雙螺桿錨式槳的槳葉處，無因次軸向速度方向發(fā)生變化的次數(shù)要多于錨式槳。在Z/H=0.05這個高度截面上，錨式槳和雙螺桿錨式槳變化規(guī)律基本相同，在攪拌槳附近區(qū)域無因次軸向速度達(dá)到最大值，其中雙螺桿錨式徑的峰值要大于錨式槳。

圖6為錨式槳和雙螺桿錨式槳在轉(zhuǎn)速為47rpm，工作介質(zhì)為非牛頓流體HPAM溶液中，無因次徑向速度在不同高度處沿半徑變化規(guī)律。

通過圖6a、6b和6c可看出，對于錨式槳和雙螺桿錨式槳，在Z/H=0.95、Z/H=0.5 和Z/H=0.05這三個高度截面上，無因次徑向速度沿半徑變化規(guī)律相似。對靠近攪拌軸附近區(qū)域內(nèi)，無因次徑向速度值較小，隨著與攪拌軸距離的增大，無因次徑向速度逐漸增大，在r/R=0.6位置處無因次徑向速度達(dá)到最大值。

圖7為錨式槳和雙螺桿錨式槳在轉(zhuǎn)速為47rpm，工作介質(zhì)為非牛頓流體HPAM溶液中，無因次切向速度在不同高度處沿半徑變化規(guī)律。

通過圖7a、7b和7c可看出，對于錨式槳和雙螺桿錨式槳，在Z/H=0.95、Z/H=0.5和Z/H=0.05這三個高度截面上，無因次切向速度沿半徑變化規(guī)律相似，隨著與攪拌軸距離的增大，無因次切向速度的數(shù)值先增大后減小，在r/R為0.7位置處達(dá)到最大值，其中雙螺桿錨式槳在r/R為0.5位置速度變化值較大。

通過圖5～圖7可以看出，錨式槳無因次切向速度分布范圍大于雙螺桿錨式槳，而錨式槳無因次軸向速度和徑向速度的分布范圍明顯小于雙螺桿錨式槳，說明改型后的雙螺桿錨式槳一定程度上改變了流體的流動方向，加強(qiáng)了流體在軸向和徑向上的流動，這一改變有利于提高高粘度流體的混合效率。

圖6　　　　不同高度處無因次徑向速度

圖7　　　　不同高度處無因次切向速度

3.3不同流變指數(shù)速度場分布

圖8～圖10為錨式槳和雙螺桿錨式槳在Z/H=0.5高度截面上，轉(zhuǎn)速為47rpm時，無因次軸向、徑向和切向速度在不同流變指數(shù)流體中沿半徑變化規(guī)律。

根據(jù)圖8～圖10中數(shù)據(jù)可以看出，對于錨式槳和雙螺桿錨式槳，隨著流體流變指數(shù)的增大，無因次軸向、徑向和切速度均增大。這是由于隨著流體流變指數(shù)的增大，流體的剪切稀化性質(zhì)減弱，在一定轉(zhuǎn)速下，攪拌槳附近流體的粘度較大，加強(qiáng)了該區(qū)域內(nèi)粘性力帶動流體運(yùn)動的能力，進(jìn)而使得無因次軸向、徑向和切向速度的峰值增大。

3.4壓力分布

圖11為攪拌槳表面壓力分布圖。

對于錨式槳和雙螺桿錨式槳，其迎液面壓力較大為28.9～37.7Pa，背液面壓力較小為2.34～6.76Pa。由于雙螺桿錨式槳在結(jié)構(gòu)上將原扁平錨式槳葉改為圓柱形，并外裝螺帶，螺旋槳葉在進(jìn)行攪拌時，流場內(nèi)的高壓區(qū)和低壓區(qū)在軸向上成交替出現(xiàn)，存在垂直壓差。流體從高壓區(qū)流向低壓區(qū)時，流動方向便會發(fā)生傾斜。這說明雙螺桿錨式槳并不只是沿切向進(jìn)行傳輸作用，同時還存在軸向上的傳輸，因此使軸向上的混合更加充分，效果更好。而錨式槳由于在軸向上不存在壓差，使得流體的輸送作用僅局限于水平切向上，無法使流體產(chǎn)生明顯的軸向運(yùn)動，從而導(dǎo)致在攪拌高粘性流體時全槽的混合效果不佳，并且還會消耗更多的攪拌功率。由此對比可以看出，新型槳在攪拌高粘性流體時的優(yōu)越性，尤其是對混合和降低攪拌功率消耗的作用更加明顯。

圖8　不同流變指數(shù)流體無因次軸向速度沿半徑變化規(guī)律

圖9　不同流變指數(shù)流體無因次徑向速度沿半徑變化規(guī)律

圖10　不同流變指數(shù)流體無因次切向速度沿半徑變化規(guī)律

圖11　攪拌槳表面壓力分布

4結(jié)論

(1) 根據(jù)高粘性流體混合機(jī)理在原有錨式攪拌槳的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改型，設(shè)計一種新型雙螺桿錨式攪拌槳。

(2) 與錨式槳相比，改型后的雙螺桿錨式槳在一定程度上改變了流體的流動方向，減弱了切向流動而加強(qiáng)了軸向和徑向流動，說明螺旋帶的存在對提高攪拌槳的剪切作用和向全槽范圍內(nèi)進(jìn)行推動的循環(huán)作用有著較大的影響。

(3) 對于同一種攪拌槳，在非牛頓流體中其高速流體分布區(qū)域面積大于其在牛頓流體中的面積；隨著流體流變指數(shù)的增大，無因次軸向、徑向、切向速度的峰值增大。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

The Development and Mixing Flow Field Simulation of a New Type Double Screw Anchor Impeller

QIN Qing1,ZHANG Minge2,LIN Xinghua1,DANG Mingyan1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300222,China)

Abstract：On the basis of the mixing mechanism of high viscous fluid,a new type of double screw anchor impeller was developed.The FLUENT software was used to compare and analyze the numerical simulation of anchor impeller and double screw anchor impeller,the flow field velocity distribution,the changing rule of the non-dimensional axial,radial and tangential velocity under the condition of different height and rheological index,pressure distribution on the surface of the two kind of impeller was researched.The results show that,the flow direction of fluid was changed in a certain extent,the axial and radial flow was strengthened,the shearing action and the cycle of the fluid in the whole tank were improved by the new type of impeller.In the flow field of the same kind impeller,the area of high velocity distribution in the non-Newtonian fluid is larger than the area in the Newtonian fluid,with the increase of fluid rheological index,the peak value of the non-dimensional axial,radial and tangential velocity is also increased.

Key words：new type double screw anchor impeller;numerical simulation;high viscous fluid;flow field characteristics

中圖分類號：TQ 027

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0077-08

作者簡介：秦青(1988—)，女，碩士研究生；通訊作者：張敏革(1980—)，女，副教授，博士，研究方向：計算流體力學(xué)，煤礦安全。

基金項目：遼寧省博士后集聚工程項目(2011921015)；遼寧省教育廳項目(L2013090)

收稿日期：2014-09-05