基于CFD技術(shù)研究槳桶間隙對攪拌影響

陳　璟，黃梅珍，吳國勇，鄧昌建（.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，廣西柳州 545005；.柳州城市職業(yè)學(xué)院機電與汽車工程系，廣西柳州 54506；.廣西科技師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，廣西來賓 54600；4.柳州市豪杰特化工機械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣西柳州 545005；5.柳州蓓蒂芬科技有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545000；6.廣西新維力科技有限公司技術(shù)中心，廣西桂林　54004）

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基于CFD技術(shù)研究槳桶間隙對攪拌影響

陳璟1，黃梅珍2，吳國勇3，鄧昌建4，5，6
（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，廣西柳州 545005；2.柳州城市職業(yè)學(xué)院機電與汽車工程系，廣西柳州 545036；3.廣西科技師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，廣西來賓 546100；4.柳州市豪杰特化工機械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣西柳州 545005；5.柳州蓓蒂芬科技有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545000；6.廣西新維力科技有限公司技術(shù)中心，廣西桂林541004）

摘要:應(yīng)用SolidWorks Flow Simulation對反應(yīng)釜內(nèi)2種攪拌槳與攪拌桶壁的距離分別為7mm和1mm時的流場情況進(jìn)行預(yù)測分析，計算后輸出速度云圖、流線圖、粒子示蹤圖等，以對比分析攪拌效果.研究結(jié)果表明：在一定程度上，減少槳桶間隙可提升物料混合攪拌速度.

關(guān)鍵詞：電池漿料制備；槳桶間隙；Flow Simulation；流體分析

0　引言

電池槳料在制備初期，物料各相之間互不相容，需要在攪拌釜或攪拌桶里配置攪拌槳，以達(dá)到均勻攪拌的目的［1］.實際工作中，工程師們常為槳桶間隙的設(shè)計而煞費苦心，因此根據(jù)不同行業(yè)要求，可有不同的間隙設(shè)計.在電池漿料制備中，所用槳桶間隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，在過去需通過物理試驗來驗證，引入CFD（計算流體力學(xué)）分析軟件后，在進(jìn)行物理試驗之前先對設(shè)計出的槳桶間隙進(jìn)行分析預(yù)測，可明顯縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期.柳州市豪杰特化工機械有限責(zé)任公司的周金卿等［2］基于Flow Simulation對比了對反應(yīng)釜內(nèi)2種攪拌槳與攪拌桶壁的距離分別為7mm和1mm時的流場情況進(jìn)行預(yù)測分析，計算后輸出速度云圖、流線圖、粒子示蹤圖等，以對比分析攪拌效果.研究結(jié)果表明：減少槳桶間隙的確可提升物料混合攪拌速度.

1　CFD介紹

1.1分析軟件介紹

計算流體力學(xué)（Computer Fluid Dynamics，CFD）是一門新興學(xué)科，它深入到航天航空、土木工程、力學(xué)、化工等，將數(shù)值計算方法、經(jīng)典流體力學(xué)、數(shù)據(jù)可視化三者有機結(jié)合.簡單地說，CFD相當(dāng)于“虛擬”地在計算機做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況，是除了理論分析和實驗測量外，解決流體流動與傳質(zhì)傳熱的又一技術(shù)手段［3］.

CFD利用質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程方程控制流動過程，目前的計算方法有差分法、有限元法及有限體積法三種，把流體流動及其它相關(guān)過程規(guī)律表達(dá)成數(shù)學(xué)形式才能對這些過程進(jìn)行數(shù)值計算，以實現(xiàn)對千變?nèi)f化、異常復(fù)雜流場進(jìn)行模擬，可以得到速度場、濃度場、壓力場、湍能強度等分布云圖、等值云圖、矢量圖等，這些數(shù)據(jù)在實驗中很難得到或者得到的數(shù)據(jù)稀少且不精確［4］.

1.2CFD步驟

CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三部分組成，各自作用主要有：

前處理：⑴幾何模型⑵劃分網(wǎng)格.

求解器：⑴確定CFD方法的控制方程；⑵選擇離散方法進(jìn)行離散；⑶選用數(shù)值計算方法；⑷輸入相關(guān)參數(shù).后處理：對速度場、溫度場、壓力場及其它參數(shù)的進(jìn)行計算機可視化及動畫處理［5］.

2　分析部分

2.1分析前處理

2.1.1簡化模型創(chuàng)建

為了減少計算量，把兩個項目的分析模型簡化為只有攪拌桶和2個攪拌槳，攪拌桶定義為定子，攪拌槳定義為轉(zhuǎn)子，攪拌槳的CFD模型如圖1所示.

圖1　攪拌漿的CFD模型

2.1.2數(shù)值模擬假設(shè)

由于懸濁液及物料粒子對氣體流動的影響甚微，為了把問題簡單化，作出以下假設(shè)：

⑴示蹤粒子是有體積（直徑可設(shè)定）的質(zhì)點；

⑵示蹤粒子對流場無影響；

⑶示蹤粒子之間無相互作用；

⑷示蹤粒子的運動完全由流場決定.

2.1.3初始設(shè)置及邊界條件

兩個CFD分析項目除槳與桶內(nèi)壁間距不同，其他設(shè)置完全相同，主要模擬參數(shù)設(shè)置有：

⑴長度單位為mm，分析類型為內(nèi)部流動，粒子直徑為1mm；

⑵流體的黏度隨溫度、剪切力作用而變化，屬于

動態(tài)值；

⑶流體的動力粘度是同溫下水動力粘度的1676倍，相當(dāng)于3000cps.

⑷邊界條件設(shè)置：攪拌槳的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，轉(zhuǎn)速為100 rpm（從上往下看，順時針方向），釜內(nèi)壁和底面設(shè)置為靜止，液面設(shè)為大氣壓（環(huán)境壓力）默認(rèn)初始條件.

2.1.4網(wǎng)格劃分條件

兩個項目中模型的定子與轉(zhuǎn)子間隙很小，設(shè)定最小縫隙尺寸為0.1mm，最小壁面厚度為1mm，全局在采用自動設(shè)置，“初始網(wǎng)格的級別”設(shè)為6級，“最小壁厚”設(shè)為2mm，定子區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，選擇“高級狹長通道”，旋轉(zhuǎn)區(qū)域還設(shè)定了局部細(xì)化網(wǎng)格，以獲得關(guān)鍵部位的更細(xì)小的網(wǎng)格.經(jīng)網(wǎng)格劃分后，共得150萬左右個網(wǎng)格，其中約120～130萬個流體網(wǎng)格，18～19萬個部分網(wǎng)格（即固體與流體邊界的網(wǎng)格），每個項目的網(wǎng)格數(shù)如表1所示［6］.

表1　反應(yīng)釜內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計

3　結(jié)果分析

3.1速度分布云圖對比

兩個項目位于攪拌桶中心對稱截面上的速度分布云圖如圖2所示.

圖2　速度分布云圖對比

圖2中左邊項目1的速度云圖，右邊項目2的速度云圖，其中超過1m/s的流體顯示為紅色.從圖中可見項目2的速度最高可達(dá)到1.61m/s，并且存在較多的深色高速區(qū)，比項目1的高速區(qū)多很多，說明攪拌槳與桶壁距離為1mm時攪拌桶內(nèi)的流體不僅流動更快，而且高速流動的更多，因而更利于攪拌，攪拌效率和效果都提高［7］.

3.2流動軌跡及粒子示蹤研究

兩個項目攪拌桶內(nèi)的流動軌跡和粒子示蹤對比如圖3、圖4所示.圖3中左邊為項目1的流動軌跡，右邊為項目2的流動軌跡，圖中超過1m/s的流體軌跡顯示為紅色.圖4中顯示，高速流體位于攪拌槳和攪拌桶壁之間，這是因為這些區(qū)域是攪拌槳的高速區(qū)域，模擬的結(jié)果符合實際情況，同樣看得出項目2的高速流線比項目1的多，同樣證明攪拌槳與桶壁距離為1mm時的攪拌效果要好.

由于粒子的直徑是1mm，項目1的粒子可以通過攪拌槳和攪拌桶壁之間的縫隙，而項目2的粒子無法通過，所以項目1會造成有攪拌料粘附在攪拌桶壁上，需要刮避桿把物料刮向桶中心予以攪拌，項目2不存在這個現(xiàn)象，這個區(qū)域的物料被攪拌槳推動，獲得高速后向桶周邊流動.因此，再次攪拌槳與桶壁距離為1mm時的攪拌效果要好［8］.

圖3　流線圖對比

圖4　粒子示蹤對比

4　結(jié)語

通過CFD的有限元法對比分析攪拌槳與攪拌桶壁的距離分別為7mm和1mm時的攪拌效果，分析結(jié)果表明：

（1）對比兩個項目，當(dāng)攪拌槳與攪拌桶壁的距離為1mm時的攪拌效率更高，攪拌效果更好.

（2）由于粒子的直徑是1mm，項目1的粒子可以通過攪拌槳和攪拌桶壁之間的縫隙，而項目2的粒子無法通過，所以項目1會造成有攪拌料粘附在攪拌桶壁上，需要刮避桿把物料刮向桶中心予以攪拌，項目2不存在這個現(xiàn)象，這個區(qū)域的物料被攪拌槳推動，獲得高速后向桶周邊流動.

因此，在設(shè)計攪拌槳與桶壁距離時，需要對物料顆粒的大部分直徑進(jìn)行測量，以選擇最佳的設(shè)計攪拌槳與桶壁距離，使攪拌效果達(dá)到最佳.

［參考文獻(xiàn)］

［1］陳璟，謝幫靈，吳國勇，等.基于CFD分析汽車三元催化器［J］.環(huán)境工程，2015（12）：0-94.

［2］陳璟，周金卿，李行可，等.基于“SolidWorks”軟件的“Flow Simulation”插件選擇分散盤［J］.中國膠粘劑，2013（12）：13-16.

［3］陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程（2013版）SolidWorks公司原版系列培訓(xùn)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［4］邱偉華，鄧寧，吳國勇，等.應(yīng)用CFD技術(shù)分析室內(nèi)空氣質(zhì)量［J］.柳州師專學(xué)報，2015（6）：115-119.

［5］陳璟，謝幫靈，周金卿，等.應(yīng)用SolidWorks Flow Simulation優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)［J］.中國膠粘劑，2014（11）：7-10.

［6］陳璟，余恒建，韋建敏，等.基于SolidWorks Flow Simulation乳化頭效果分析［J］.粘接，2014（2）：52-56.

［7］陳璟，阮月麗，余恒建，等.基于CFD技術(shù)優(yōu)化乳化頭轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)［J］.粘接，2014（10）：77-82.

［8］陳龍，陳璟，李志海，等.基于SolidWorks Flow Simulation優(yōu)化球閥結(jié)構(gòu)［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2014（9）：60-63.

（責(zé)任編輯：李潔坤）

The Influence of the Clearance between Blade and Bowl on Mixing Based on the CFD Technology

CHEN Jing1，HUANG Meizhen2，WU Guoyong3，DENG Changjian4，5，6
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liuzhou Vocational & Technical College，Liuzhou，Guangxi，545006 China；2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liuzhou City Vocational College，Liuzhou，Guangxi，545036 China；3.Guangxi Science & Technology Normal University，Laibin，Guangxi，545036 China；4. Liuzhou HUGEST Chemical Machinery Co.，Ltd，Liuzhou，Guangxi，545005 China；5. Liuzhou Beidifen Technology Co.，Ltd，Liuzhou，Guangxi，546100 China；6.Guxangxi New Well Technology Co.，Ltd，Guilin，Guangxi，541004 China）

Abstract：SolidWorks Flow Simulation was applied to predicatively analyze the flow conditions of two kinds of clearance between blade and bowl: 1）one gap is 7mm，2）the other gap is 1mm. Pictures of velocity flow contours，flow trajectories and particle studies were obtained to compare the results of the two projects. The results show that reducing the clearance between bowl and blade could improve the material mixture stirring speed to a certain extent.

Key words：battery slurry preparation；clearance between blade and bowl；Flow Simulation；CFD

中圖分類號：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-2126（2016）01-0123-04

［收稿日期］2016-01-16

［基金項目］廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃課題（桂科能15122O01-2-8）；2015年教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目（15YJC880058）；2015廣西職業(yè)教育教學(xué)改革“高職院校舉辦高端應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的研究與實踐——以機械工程專業(yè)（職師班）為例”（桂教職成［2015］22號）；2015年柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃課題（2015c010303）；廣西教改項目“基于區(qū)域性汽車技術(shù)加強專業(yè)建設(shè)的研究與實踐”（2014JGZ183）的階段性研究成果。

［作者簡介］陳璟（1984—），女，廣西柳州人，碩士，講師，研究方向：流體分析CFD、模具優(yōu)化設(shè)計。

［通訊作者］吳國勇（1967—），男（壯族），廣西柳州人，高級工程師，研究方向：高分子材料。