新型擋板對攪拌特性的影響研究

周三平，蔡 嬋，谷 平

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

設備與自控

新型擋板對攪拌特性的影響研究

周三平，蔡 嬋，谷 平

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

本文提出了一種中間斷開并錯開一定距離、傾斜15°的新型擋板，運用計算流體力數值模擬軟件Fluent，分別對常規(guī)擋板和新型擋板攪拌釜在相同條件下的液-固攪拌過程進行了數值模擬。結果表明，新型擋板不僅可以提升攪拌釜中固體顆粒分布的均勻度、流體流動的湍動程度和槳葉上下兩個循環(huán)速度，從而提高攪拌的混合效果，而且可以降低攪拌釜的攪拌功率，是一種性能優(yōu)良的擋板。

擋板；攪拌釜；攪拌特性；數值模擬

攪拌釜在醫(yī)藥、染料、食品、冶金、廢水處理及合成材料等工業(yè)生產中占有相當重要的地位，主要用于混合、分散、溶解、結晶、萃取、吸收和傳熱等操作單元。由于攪拌操作的特點，打漩現象伴隨整個攪拌過程，使得液體隨槳葉旋轉，在離心力作用下涌向內壁面并上升，中心部分液面下凹，形成漩渦。隨轉速增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，外面空氣進入槳葉被吸到液體中，使其密度減小，混合效果降低。

要解決上述問題，通常是在器壁安裝一定數量的擋板，擋板數量需滿足全擋板條件[1]，一般安裝4塊擋板就能滿足要求。擋板能阻截液相切向流而使其形成軸向流或徑向流，造成從釜頂到釜底的循環(huán)，有效抑制液面下凹現象。

針對擋板，國內外學者做過很多研究并進行了大量相關實驗[2-12]，分析、解決問題的出發(fā)點各有不同，都極具借鑒參考價值。常規(guī)擋板對打漩的抑制有一定的效果，但仍有較大的改進空間。本文以常見的液-固攪拌釜中的擋板為研究對象，對其進行了改進，一是將常規(guī)擋板從中間分開，分為上下二塊擋板；二是上下兩塊擋板逆著流體的旋轉方向傾斜一個角度15°，并錯開一個間距230mm，如圖1所示。這樣做的目的一方面可以給因為打漩而沿筒體壁面處上升的液面一個向下的導向力，以抑制表面中心的液面下凹，另一方面，使得筒體壁面處區(qū)域的流體呈現S狀上下循環(huán)運動，從而增加筒體壁面處液體的湍動程度。

圖1 擋板結構示意圖

為了研究改進后的新型擋板的攪拌效果，運用計算流體力學數值模擬軟件Fluent，對裝有新型擋板的攪拌釜的攪拌效果進行了數值模擬，并與裝有傳統(tǒng)擋板的攪拌釜進行對比研究。

1 幾何建模與網格劃分

1.1 幾何模型

為便于對比分析，分別將裝有4塊常規(guī)擋板和4組新型擋板的攪拌釜幾何模型稱為模型1、模型2，如圖2（a）、（b）所示。兩個模型的攪拌釜和攪拌槳的尺寸完全相同，如圖3所示。釜體內徑Di=φ1800mm，釜內液位高度H=1800mm。所用攪拌槳為六平葉槳結構，槳葉外徑φ900mm，內徑φ300mm，槳葉寬度260mm，厚度10mm，槳葉距底部高度750mm，如圖3所示。兩模型的擋板寬度相同，且寬度w=Di/10，擋板厚度10mm，模型1的擋板長度1800mm，擋板數為4；模型2的上下層擋板長度均為920mm，保證擋板傾斜安裝后在垂直方向的高度同模型1相同，如圖1所示。忽略攪拌軸對流場的影響。

圖2 攪拌釜幾何模型

圖3 攪拌釜結構及幾何尺寸

1.2 網格劃分

整個求解區(qū)域分為動區(qū)、靜區(qū)兩部分。因為攪拌釜內結構復雜，為提高網格的質量，采用Workbench中Meshing模塊中的Cut-cell單元離散，并對槳葉周圍區(qū)域網格進行局部加密，網格劃分結果如圖4所示。為了確定網格劃分的數量，以槳葉旋轉產生的軸向速度為目標函數，進行了網格的無關性檢測，結果表明當網格單元數到達55萬以后，軸向速度隨網格單元數的增加變化很小，最終模型的離散節(jié)點和單元數如表1所示。

圖4 各模型網格劃分

表1 模型節(jié)點和單元數

2 數學模型

攪拌釜內初始時上部是水，高度1584mm，下部為固相沙礫，高度216mm，固相高度占整個液固兩相總體高度H的12%。攪拌開始以后，固體顆粒分散在水中，其中的連續(xù)相是水，分散相是固體顆粒。

2.1 連續(xù)相流體流動數學模型

連續(xù)相流動遵循流體流動的連續(xù)性方程（1）和動量守恒方程（2）。

式中：αi、ρi、Ui分別為固-液相體積分數、密度和速度矢量。

離散相固體顆粒的動量方程為：

其中下標l、s分別代表液相和固相；p、g分別為相壓力與重力加速度；為雷諾應力；Fex為固-液相之間的相互作用力，一般包括曳力、虛擬質量力、升力等。

2.2 多相流模型

對液-固混合攪拌過程，可采用多相流模型中的Euler-Euler雙流體模型進行模擬，即將固體顆粒作為擬流體處理，認為流體與顆粒之間是相互滲透的連續(xù)介質，分別求解每一相的控制方程。參考Tatterson等[13]的研究，當固相與液相密度之比大于2時，兩相之間作用力主要為曳力，且固相體積分數較低，因此液-固兩相之間動量傳遞系數用Wen-Yu模型[14]定義。

2.3 邊界條件與計算方法

數值模擬采用多重參考坐標系法（MRF），將槳葉及周圍區(qū)域設置為動區(qū)，其內部流體與攪拌槳以相同速度轉動，轉速100r·min-1；其余區(qū)域為靜區(qū)。槳葉壁面設置為轉動壁面條件；攪拌釜內壁定義為無滑移邊界條件；顆粒直徑為0.01mm，密度2500kg·m-3。

壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，壓力方程采用PRESTO!，其余方程均采用二階迎風格式。壁面區(qū)域采用標準壁面函數，計入重力影響。攪拌釜一般為不連續(xù)操作，采用非穩(wěn)態(tài)計算。攪拌過程中，流體在攪拌槳的作用下做旋轉流動，導致流動分離和二次流，壓力梯度大，可以選用帶旋流修正的Realizable k-ε湍流模型。

3 數值模擬結果及分析

攪拌釜的攪拌效果可以通過固體顆粒分布的均勻程度、流體流動的湍動程度以及流體上下循環(huán)速度的大小來衡量。

3.1 固體顆粒體積濃度分布

固體顆粒分布的均勻程度可以通過固體顆粒的體積濃度分布來表征。根據數值模擬結果，在半徑r=180mm處畫出了不同高度的固體顆粒的體積濃度分布曲線如圖5所示（為了清晰地看出研究點與釜體半徑R的相對位置關系，圖中用r/R表示，此時r/R=0.2，高度也一樣，用距底端的距離z與整個液面距底端的距離H之比z/H表示）。由圖5可見，隨軸向高度的增加，固體顆粒的體積濃度分數趨于下降，模型2比模型1的固相體積濃度下降緩慢。這主要歸功于新型擋板對流體循環(huán)的強化作用。

圖5 r/R=0.2處不同高度的固相顆粒濃度分布曲線

圖6示出了兩種模型的軸截面固體顆粒體積濃度分布云圖。由圖6可以看出，模型1底部固相體積濃度高于上部，說明固體顆粒即使通過攪拌，也有很大一部分沉積在下部區(qū)域，還有很大一部分沒有循環(huán)到上部，混合效果不太好。而模型2則固相上下分布較為均勻，攪拌釜底部固體顆粒無明顯堆積現象，說明新型擋板對混合的提升效果明顯。

圖6 軸截面固相體積濃度云圖

3.2 湍動程度分析

湍動能的大小可以表征出流體流動湍動程度的大小，湍動能使得固相顆粒獲得足夠的懸浮動力，固相顆粒均勻懸浮不僅受到釜內流體的循環(huán)流動作用，也需要較強的湍流作用。湍動程度受攪拌釜內構件的結構影響很大。圖7為模型1、2在軸截面上的湍動能云圖，由圖可見，受到攪拌槳持續(xù)的攪動作用，槳葉附近的湍動能較大，再向周邊的流體傳播，所以遠離槳葉，湍動能變小。可看出模型2在擋板處、攪拌釜頂部和底部的湍動能均比模型1大，說明新型擋板結構可以提高整個攪拌釜內流體流動的湍動能。

為了說明不同高度的橫截面上流體流動的湍動能隨半徑的變化規(guī)律，圖8示出了固相區(qū)域內z/ H=0.1高度處及液相區(qū)域內z/H=0.8高度處（如圖3所示）橫截面上的湍動能隨半徑的變化規(guī)律。由圖8（a）可以看出，在固相區(qū)域內，新型擋板對筒壁處附近區(qū)域的流體流動湍動程度提升作用明顯。由圖8（b）可以看出，在液相區(qū)域內，新型擋板對流體流動湍動程度的提升作用擴大到整個橫截面上。

圖7 軸截面湍動能云圖

圖8 指定高度處湍動能沿徑向分布曲線

3.3 速度場分析

六平葉渦輪槳攪拌釜在攪拌過程中會形成以槳葉為分界面的上下兩個軸向循環(huán)流場，如圖9所示。圖10、11分別為兩種模型在固定徑向位置r/R=0.1時軸向速度沿高度的分布曲線，和在固定高度z/ H=0.1、z/H=0.8時軸向速度沿徑向的分布曲線。

由圖10、11（a）可以看出，攪拌釜的下部區(qū)域，中心部分的流體速度大于零，流體向上運動，外圓部分的流體速度小于零，流體向下運動。由圖10、11（b）可以看出，攪拌釜的上部區(qū)域，中心部分的流體速度小于零，流體向下運動，外圓部分的流體速度大于零，流體向上運動，這與圖9所示的攪拌釜內的上下兩個循環(huán)的運動一致，表明數值模擬的結果正確。由圖11（a）可以看出，在攪拌槳之下的下部區(qū)域，裝有新型擋板的上下循環(huán)速度比裝有常規(guī)擋板的上下循環(huán)速度大。由圖11（b）可以看出，在攪拌槳之上的上部區(qū)域，裝有新型擋板的上下循環(huán)速度比裝有常規(guī)擋板的上下循環(huán)速度大。因此，以攪拌槳為界的上下兩個區(qū)域，新型擋板流體的上下循環(huán)速度有明顯的提升作用，因而有助于提升攪拌釜的的混合效果。

圖9 攪拌釜軸向循環(huán)示意圖

圖10 r/R=0.1處不同高度的軸向速度分布曲線

圖11 指定高度處軸向速度分布曲線

3.4 阻力分析

根據數值模擬結果，讀取模型1、模型2的阻力力矩分別為1615.5N·m、1584.8N·m，由此可見，由于新型擋板中間斷開錯開，增加了流體流動通道，使得其攪拌阻力相比常規(guī)擋板有所減少，當然其攪拌功率也會減少。

4 結論

1）相對于常規(guī)擋板，新型擋板可以提升固體顆粒在流體中的分布均勻程度，攪拌釜底部固體顆粒堆積現象不明顯，對攪拌混合的提升效果明顯；

2）新型擋板可以提升攪拌槳下部區(qū)域筒壁處區(qū)域內流體流動的湍動程度，可以提升攪拌槳上部區(qū)域整個橫截面上流體流動的湍動程度；

3）以攪拌槳為界的上下兩個區(qū)域，新型擋板攪拌釜的上下循環(huán)速度比常規(guī)擋板攪拌釜的上下循環(huán)速度大，對攪拌的混合作用強；

4）新型擋板不僅可以提升攪拌釜的混合功能，而且可以降低攪拌釜的攪拌功率，是一種性能優(yōu)良的擋板。

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Study on Influence of New Baffle on Stirring Characteristics

ZHOU Sanping, CAI Chan, GU Ping
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

A new type of 15°tilt baffl e which was intermediately disconnected and staggered a certain distance, was put forward in this paper. The numerical simulation of the liquid-solid mixing process of the conventional baffl e and the new baffl e stirred tank was carried out by using the numerical simulation software Fluent. Results showed that the new baffle could not only enhance the distribution uniformity of solid particles in stirred tank, turbulence degree of fl uid fl ow and circulation speed up and down the blades, so as to improve the mixing effect of stirring, but also could reduce the stirring power in stirred tank, so the new baffl e had an excellent performance.

baffl e; stirring tank; stirring characteristics; numerical simulation

TQ 051.7

A

1671-9905(2017)03-0040-05

周三平，西安石油大學教授，研究方向：化工過程機械

2017-01-09