渦輪式攪拌釜數(shù)值模擬

張瑞　李宣　周振　張景坡　劉星

摘 要：渦輪式攪拌釜結(jié)構(gòu)簡單，廣泛用于微生物與細(xì)胞培養(yǎng)過程中。本文通過CFD對(duì)渦輪式攪拌釜進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流場的流動(dòng)狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為100r/min條件下，渦輪式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為3.1m/s，釜內(nèi)流場為徑向流，產(chǎn)生大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主；

關(guān)鍵詞：渦輪式；CFD；攪拌功率

攪拌釜式生物反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于微生物和細(xì)胞培養(yǎng)以及發(fā)酵過程中[1]。該結(jié)構(gòu)比較簡單，但不同槳葉形式的攪拌釜內(nèi)部流場卻很復(fù)雜。徑流型攪拌器具有極強(qiáng)的徑向排量及分散能力等優(yōu)點(diǎn)。渦輪式槳葉是攪拌釜式生物反應(yīng)器中常用的槳葉形式，但哪種槳葉形式更符合生物反應(yīng)器的生產(chǎn)要求，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法大都依靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，精度較差[2-3]。因此掌握不同攪拌攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)特性以及功率特性對(duì)攪拌釜的工程應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要意義。本文通過CFD數(shù)值模擬對(duì)渦輪式攪拌釜內(nèi)部流場進(jìn)行分析，不但節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的工作，還可以準(zhǔn)確的得到推進(jìn)式和渦輪式攪拌釜各自的攪拌特性。

攪拌效果好，能耗小是攪拌設(shè)備追求的目標(biāo)[4-5]。對(duì)攪拌釜而言，攪拌能耗以攪拌功率為指標(biāo)，因此本文通過CFD分別對(duì)推進(jìn)式和渦輪式攪拌釜進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比推進(jìn)式槳葉和渦輪式槳葉在能耗和剪切力方面的混合特性，從而分析槳葉所適用的范圍。

1 攪拌釜模型與模擬方法

本文針對(duì)渦輪式攪拌釜進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示。釜體結(jié)構(gòu)相同，釜徑為2.8m，高4.5m，槳徑為1.2m，釜壁設(shè)置6個(gè)擋板，底部用圓盤封底。

應(yīng)用前處理器軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，槳葉相對(duì)于釜體來說結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此攪拌釜內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方法，動(dòng)子區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，槽內(nèi)其他區(qū)域應(yīng)用合理的分區(qū)方法采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 速度矢量分布和漩渦分布

攪拌轉(zhuǎn)速都為100r/min的條件下對(duì)渦輪式攪拌釜釜內(nèi)流體速度進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖2所示。

由圖3可知，在相同轉(zhuǎn)速下，渦輪式攪拌釜在攪拌槳葉區(qū)域流體的速度較高，最高速度為3.1m/s；在遠(yuǎn)離槳葉的區(qū)域，渦輪式攪拌釜釜內(nèi)流體的速度范圍差異較小。就漩渦分布而言，如圖（a）所示，對(duì)于渦輪式攪拌釜，徑向渦流較多，在兩層槳葉之間有大湍流形成，在上層攪拌槳葉的上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產(chǎn)生，大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主。

2.2 攪拌功率

對(duì)渦流式攪拌釜進(jìn)行攪拌功率的模擬，模型相同的情況下，攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min、110r/min、120r/min、130r/min時(shí)，攪拌功率如圖3所示。

隨著轉(zhuǎn)速的額提高，渦流式攪拌釜的攪拌功率也增大，這是由于槳徑一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，力矩越大，攪拌功率越越大。在轉(zhuǎn)速140r/min時(shí)，攪拌功率為8524w。在轉(zhuǎn)速100r/min時(shí)，攪拌功率為3975w。

3 結(jié)論

（1）渦輪式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為3.1m/s，對(duì)于渦輪式攪拌釜，徑向渦流較多，在兩層槳葉之間有大湍流形成，在上層攪拌槳葉的上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產(chǎn)生，大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主。

（2）隨著轉(zhuǎn)速的額提高，渦流式攪拌釜的攪拌功率也增大在轉(zhuǎn)速140r/min時(shí)，攪拌功率為8524w。在轉(zhuǎn)速100r/min時(shí)，攪拌功率為3975w。

參考文獻(xiàn)

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