組合斜葉槳作用下多相流數(shù)值分析

杜飛龍，段興旺，吳永明

（1.貴州大學現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州貴陽 550003；2.中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京100023）

組合斜葉槳作用下多相流數(shù)值分析

杜飛龍1，段興旺2，*，吳永明1

（1.貴州大學現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州貴陽 550003；2.中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京100023）

運用Fluent流體分析軟件，以菜籽油、辣椒顆粒和花生粒構(gòu)成的多相流屬性為研究對象，結(jié)合Eulerian多相流模型，研究了單斜葉槳和組合斜葉槳攪拌作用下的速度場、密度場和各單相體積分數(shù)的分布狀況。結(jié)果表明：當旋轉(zhuǎn)速度為5 rad/s時，在組合斜葉槳作用下，多相流的紊流特性強度增加，整體流動速度提高；近壁區(qū)的高密度聚集現(xiàn)象得到明顯改善，混合密度均勻化程度提高；各單相的體積分數(shù)分布值與初始設(shè)定值較為接近，可以實現(xiàn)多相流物料的均勻性混合。計算結(jié)果對相應(yīng)的多相流混合特性機理分析具有一定的理論意義和參考價值。

油辣椒；多相流；組合斜葉槳；數(shù)值分析

多相流在生產(chǎn)生活中廣泛存在，主要分布于能源、水利、化工、生物、冶金等行業(yè)中。多相流因成分較為復雜，其流動機理和狀態(tài)分布形式的研究也存在較大的困難。近年來，國內(nèi)外對于多相流現(xiàn)象的研究不斷加強，尤其體現(xiàn)在攪拌過程中多相流的流場分布方面。Ochieng等［1］通過改變攪拌容器的相關(guān)參數(shù)，對物料箱中的固液混合相流進行分析，研究了其固相的懸浮特性；Taghavi等［2］通過試驗與CFD仿真相結(jié)合的手段，對雙槳渦輪式攪拌結(jié)構(gòu)的攪拌功率及其損耗機理進行了研究；Klenov等［3］以多層攪拌結(jié)構(gòu)為研究對象，探究了多相流中固態(tài)顆粒的分布特性；Montante等［4］選取PIV方法，針對固液混合流的攪拌過程進行分析，研究了顆粒的尺寸大小、沉降速度、濃度大小與固液混合流的湍流特性之間的關(guān)系；黃志堅等［5］以高黏度混合多相流為研究對象，利用CFD方法對螺帶槳（LD）和ZBK+BKS組合槳攪拌時的流體特性進行數(shù)值計算，研究了混合過程中功率損耗、能量變化的機理；張林進等［6］研究了側(cè)入式攪拌結(jié)構(gòu)的安裝偏角對多相流混合過程和分布狀況；劉葉鳳等［7］通過CFD相關(guān)方法，采用動網(wǎng)格技術(shù)，就D-T型臥式雙軸攪拌裝置作用下，物料槽內(nèi)的壓強域、速度場和湍流動力學能的分布進行分析，系統(tǒng)地研究了攪拌速度對三者的影響；李良超等［8］對雙層圓盤渦輪槳攪拌作用下的輕密度顆粒進行計算，分析了攪拌槽內(nèi)流場和固體顆粒的流動特性及分布規(guī)律，同時研究了攪拌速度和顆粒含量對固液懸浮混合均勻性的影響；朱娜等［9］利用CFX軟件對不同攪拌釜內(nèi)固液兩相相關(guān)的流場特性進行數(shù)值計算，分析比較不同槳葉結(jié)構(gòu)、槳葉位置以及攪拌速度作用下的速度矢量圖、湍動能云圖和固含率云圖等，并對大槳葉龍卷流型攪拌結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)優(yōu)化；趙小英等［10］通過Fluent進行數(shù)值仿真，研究了三斜葉-三輔助L槳作用下的各類流場分布情況和槳葉的應(yīng)力分布規(guī)律。然而，多相流的流場分布研究仍存在一些缺陷：對于復雜固液混合多相流的研究仍不夠深入，尤其是針對多相流的混合密度場分布問題研究甚少。

文章選取油辣椒特殊多相流為研究對象，采用Fluent流體仿真軟件及混合物多相流模型，就單斜葉槳和組合斜葉槳攪拌結(jié)構(gòu)的攪拌作用下，速度場、密度場和各單相分布情況進行對比分析，探究流場的相關(guān)特性，其研究結(jié)果對攪拌槳葉的設(shè)計、優(yōu)化和實際應(yīng)用具有指導意義。

1　攪拌結(jié)構(gòu)及物料參數(shù)

對于研究的多相流混合物，為了增強均勻化攪拌效果，選取組合斜葉槳攪拌結(jié)構(gòu)進行研究，該結(jié)構(gòu)主要由料箱、攪拌軸和組合式斜葉槳組成，組合式斜葉槳包括三葉式槳葉組成，每片槳葉通過交叉型槳葉連接而成，如圖1所示。攪拌結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)有：料箱直徑D=420mm，槳葉半徑R=150mm，單片交叉型槳葉的長度L=30mm，料箱總高H1=300mm，流體液面高度H2=250mm，槳葉離料箱底部的距離H3=120mm。將待攪拌的物料簡化為液-固-固三相流，其中，液相為菜籽油，固相中一相為辣椒顆粒，另一相為花生粒，其具體參數(shù)見表1。

表1　攪拌物料的具體參數(shù)Table 1　Specific parameters of stirred material

2　計算模型

選用歐拉-歐拉模型對擬定的固液混合多相流進行研究，以下為歐拉-歐拉模型的控制方程組。

對于連續(xù)方程，其中第q相為：

對于動量平衡方程，第q相為：

對于壓力應(yīng)變張量，第q相為：

式中：vq為第q相的速度（m/s）；m˙pq為從第p相到q相的質(zhì)量傳遞（g）；p為所有相共享的壓力（N）；Rpq為各相之間的相互作用力（N）；Fq為外部體積力（N）；Flift，q為升力（N）；FVm，q為虛擬質(zhì)量力（N）；μq為第q相的剪切黏度（Pa·s）；λq為第q相的體積黏度（Pa·s）。

3　數(shù)值分析

3.1網(wǎng)格劃分

分析整體模型，結(jié)合實際需求，將區(qū)域分為流體域和固體域。對流體域進行網(wǎng)格劃分，整體采用四面體，而近壁區(qū)域和臨近槳葉的部分采用六面體劃分，同時進行網(wǎng)格的精細化處理，圖2為最終得到的網(wǎng)格劃分圖，其中網(wǎng)格數(shù)量為324 115。

3.2求解模型

采用Fluent流體分析軟件對組合斜葉槳攪拌結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，其求解模型設(shè)置為：流體的上表面為自由面，臨近料箱壁的面為無滑移邊界，斜葉槳的臨界面選取標準壁面函數(shù)，流體和固體槳葉的接觸面為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)的速度設(shè)置為5 rad/s。

4　仿真結(jié)果及討論

以油辣椒制品的多相流屬性為研究對象，在單斜葉槳、組合斜葉槳的攪拌作用下，分析此多相流的速度場、密度場和體積分數(shù)等分布規(guī)律，進而指導攪拌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和流體理論研究。

4.1速度場分布

對于多相流的速度場分析，以不同的軸截面作為研究對象。圖3中分別為單斜葉槳和組合斜葉槳在攪拌速度為5 rad/s作用下，截面X=0mm處的宏觀流場速度矢量圖。通過分析可以看出：單斜葉槳的攪拌過程中，料箱頂部和槳葉周圍的流體速度較高，且臨近槳葉的區(qū)域出現(xiàn)了不太明顯的紊流現(xiàn)象；而在組合斜葉槳的作用下，整體的速度有一定程度的增大，在組合斜葉槳的槳葉周圍，尤其在單片交叉型槳葉的連接區(qū)域，出現(xiàn)較為明顯的紊流現(xiàn)象，在流體域范圍內(nèi)形成了軸向、徑向的流動循環(huán)，有效地防止了近壁區(qū)因受到料箱壁面的影響而形成攪拌死角，流動效果較佳。

4.2密度場分析

4.2.1宏觀密度場

對油辣椒混合物的密度分布情況，選取環(huán)形截面、縱截面、橫截面進行研究。在單斜葉槳和組合斜葉槳的不同作用情況下，圖4為r=130mm的環(huán)形面的密度云圖，圖5和圖6分別為X=0mm的縱截面和Z=120mm的橫截面處多相流的密度分布圖。通過分析可知：在料箱壁面的作用下，近壁區(qū)域出現(xiàn)了相應(yīng)的高密度區(qū)域，其中單斜葉槳作用下表現(xiàn)得較為明顯，易形成攪拌盲區(qū)；而組合斜葉槳作用下，近壁區(qū)域的高密度區(qū)域基本消失，混合密度趨于均勻化，攪拌效果得到很大改善，這是因為交叉型槳葉造成了紊流效果，進而促進了物料的均勻化混合。

4.2.2Y軸方向密度場

對于Y軸方向的直線L（從A（40，-196，150）到B（40，196，150）），其多相流密度分布圖見圖7。由圖中可見：兩種攪拌結(jié)構(gòu)作用下，均表現(xiàn)出物料箱壁附近的高密度聚集特點；與單斜葉槳相比，組合斜葉槳作用下的混合流體密度曲線波動較為平緩，說明流體密度有較好的均勻性，尤其在臨近物料箱壁的區(qū)域，高密度性有明顯的優(yōu)化，基本避免了因高密度物質(zhì)堆積產(chǎn)生攪拌死角的弊端。

4.3各相體積分數(shù)分析

對于油辣椒混合三相流來說，為了研究各單相之間的分布情況，進而為攪拌機理分析提供理論基礎(chǔ)，選取各相的體積分數(shù)分布進行分析。針對兩種不同的攪拌結(jié)構(gòu)沿Y軸方向的直線L（從A（40，-196，150）到B（40，196，150）），計算出各單相的體積分數(shù)分布曲線圖，如圖8所示。通過分析可知：在單斜葉槳作用下，辣椒顆粒主要在槽壁臨近區(qū)域堆積，體積分數(shù)有較大提高，而菜籽油則分布較少，因而造成了近壁區(qū)域的高密度物聚集，混合效果較差；而在組合斜葉槳作用下，各單相的體積分數(shù)分布曲線趨于平緩化，固相辣椒顆粒的體積分數(shù)基本分布在［54%，70%］，液相菜籽油的體積分數(shù)界于［23%，35%］，固相花生粒的體積分數(shù)界于［7%，18%］，與初始設(shè)定值較為接近，在近壁區(qū)的混合效果有了較為明顯的改善，這主要是由于組合斜葉槳攪拌時有較強的紊流作用。

Under the action ofmonoclinic paddle

Under the action of combination pitched blade paddle

（Monoclinic paddle）Rapeseed oil phase

（Combination pitched blade paddle）Rapeseed oil phase

（Monoclinic paddle）Repper particles phase

（Combination pitched blade paddle）Repper particles phase

（Monoclinic paddle）Peanut kernels phase

（Combination pitched blade paddle）Peanut kernels phase

5　結(jié)論

文章通過Fluent流體分析軟件，就單斜葉槳和組合斜葉槳不同作用下油辣椒多相流混合物料的各流場進行分析探討，得到以下結(jié)論：

（1）從多相流的速度場中進行分析，組合斜葉槳作用下流動循環(huán)效果較佳。

（2）組合斜葉槳作用下，近壁區(qū)域的高密度區(qū)域基本消失，混合密度趨于均勻化，攪拌效果得到很大改善，基本避免了因高密度物質(zhì)的堆積產(chǎn)生攪拌死角的弊端。

（3）組合斜葉槳作用下數(shù)值分析得到的結(jié)果與初始設(shè)定值較為接近，可以實現(xiàn)多相流物料的均勻性混合。

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Numerical AnalysisofM ultiphase Flow under the Influenceof Combination Pitched Blade Padd le

DU Fei-long1，DUAN Xing-wang2，*，WU Yong-ming1
（1.Key Laboratory ofAdvanced Manufacturing Technology，Ministry of Education，Guizhou University，Guiyang 550003，China；2.China Railway 16Bureau Group Metro Engineering Co.，Ltd.，Beijing100023，China）

In this paper，the Fluent analysis softwarewas applied，and themultiphase flow composed of rapeseed oil，pepper particles and peanut particleswas selected as the research object.The distribution of the velocity field，density field and individual single-phase volume fraction under the influence of amonoclinic leaf blade and a combination pitched blade paddle by Eulerian multiphase flow modelwas studied in present paper.The simulation results showed that，when the rotational speed was 5 rad/s，under the action of combination pitched blade paddle，the turbulence characteristics strength ofmultiphase flow was increased and the overall flow rate improved；high-density aggregation near the wall was significantly improved and the degree ofmixing uniform density increased.The volume fraction distribution value of individual single-phase was close to the initial value，which could achieve the uniform mixing ofmultiphase flow.The results provided certain reference and theoretical value for multiphase flow mixing characteristics correspondingmechanism analysis.

oil capsicum；multiphase flow；combination pitched blade paddle；numerical analysis

TS203

A

10.3969/j.issn.1009－6221.2016.04.014

貴州省重大科技專項計劃項目（黔科合重大專項字［2012］6008）；貴州省科學技術(shù)基金項目（黔科合J字［2013］2127號）

杜飛龍（1988—），男，漢族，碩士，講師，研究方向：先進制造模式與制造信息系統(tǒng)、食品機械設(shè)計。

段興旺，本科，研究方向：先進制造技術(shù)、先進制造模式與信息系統(tǒng)等。

2016-04-01