不同擋板數(shù)攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)模擬

　， ， (南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京　211816)

固-液懸浮是過(guò)程工業(yè)中的一種典型單元操作，以實(shí)現(xiàn)顆粒的有效懸浮為主要目的，在食品、冶金、石油等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。攪拌槽是典型的固-液懸浮設(shè)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的攪拌槽可使顆粒分布均勻，防止固體沉淀[1-3]。近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了攪拌槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用CFD技術(shù)對(duì)攪拌槽進(jìn)行數(shù)值模擬,極大地解除了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)規(guī)模、實(shí)驗(yàn)成本及實(shí)驗(yàn)周期等對(duì)研究者在兩相流的混合時(shí)間預(yù)測(cè)[4-7]、氣液分散體系[8-10]等方面研究工作的制約，因而越來(lái)越受到研究人員的重視。目前有關(guān)攪拌槽固-液懸浮的研究，主要集中在臨界懸浮轉(zhuǎn)速以及懸浮高度方面，而關(guān)于擋板設(shè)置對(duì)攪拌釜內(nèi)固-液懸浮影響的研究則比較少[11-12]。

文中利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)雙層圓盤渦輪攪拌槽內(nèi)固-液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，考察了攪拌槽內(nèi)擋板數(shù)量對(duì)流場(chǎng)的影響，以及擋板設(shè)置對(duì)于攪拌槽內(nèi)固-液臨界懸浮轉(zhuǎn)速的影響，為現(xiàn)實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1　攪拌槽幾何模型及模擬方法

1.1　模型結(jié)構(gòu)

本文的計(jì)算模型與RUTHERFORD等[13-14]試驗(yàn)所用的攪拌槽模型一致，為直徑d=294 mm的圓柱形平底攪拌槽，槽內(nèi)均布4塊擋板，每塊擋板寬為b=d/10=29.4 mm,全部距攪拌槽壁5 mm。釜內(nèi)液位高度H=d。槽內(nèi)上下兩層槳葉均采用標(biāo)準(zhǔn)六直葉圓盤渦輪槳對(duì)顆粒進(jìn)行攪拌懸浮，攪拌槳直徑D=d/3=98 mm，下層槳距離釜底距離為0.25d=73.5 mm，上層槳距離釜底位置為0.75d=220.5 mm，攪拌轉(zhuǎn)速取250 r/min。

計(jì)算物系液相密度為998 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.001 Pa·s，固體的顆粒密度為2×103kg/m3，顆粒直徑為50 μm。由于攪拌槽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并對(duì)攪拌軸、葉片等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)約為62萬(wàn)。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)表明，再增加網(wǎng)格對(duì)模擬結(jié)果已沒(méi)有影響。圓柱形平底攪拌槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　圓柱形平底攪拌槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.2　模擬方法

應(yīng)用流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)攪拌槽內(nèi)單相流場(chǎng)和固-液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)固-液兩相流采用Euler法[15-16]，將顆粒和流體均看成連續(xù)漿液相。此方法具有計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，在高濃度的固-液兩相流模擬中應(yīng)用較廣。對(duì)槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域和其他靜止區(qū)域采用多重參考系法(MRF)[17]處理，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)壓力-速度耦合采用SEMPLE算法和一階迎風(fēng)差分格式，通過(guò)監(jiān)測(cè)攪拌軸扭矩的方式確定計(jì)算是否收斂。

攪拌槽的流場(chǎng)分布受多種因素的影響，在模擬中采用單獨(dú)改變一種因素的方法，來(lái)分析擋板數(shù)量對(duì)攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)和離底臨界懸浮轉(zhuǎn)速的影響。

2　攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

2.1　模型驗(yàn)證

對(duì)CFD模擬的4塊擋板攪拌槽流型與文獻(xiàn)[13-14]中試驗(yàn)的單相流時(shí)兩相鄰擋板中間垂直截面流型進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2　攪拌槽內(nèi)液相流型數(shù)值模擬與文獻(xiàn)[13-14]試驗(yàn)結(jié)果比較

從圖2可以看出，在葉片頂部流體速度較大，兩葉片之間形成平行流，這是由于槳葉間的距離較大所致[18]。比較圖2a與圖2b可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)[13-14]試驗(yàn)結(jié)果在每層槳葉區(qū)均產(chǎn)生上下兩個(gè)旋渦，CFD數(shù)值模擬的攪拌槽內(nèi)流型與文獻(xiàn)[13-14]試驗(yàn)的流型均為平行流，模擬結(jié)果和文獻(xiàn)[13-14]中試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。

2.2　擋板數(shù)對(duì)液相速度的影響

擋板是消除攪拌槽內(nèi)旋渦、改變槽內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)、促使流體在槽內(nèi)產(chǎn)生上下垂直翻滾運(yùn)動(dòng)的有效措施。本文通過(guò)改變擋板數(shù)，研究了攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)中液相速度的分布情況。當(dāng)擋板個(gè)數(shù)分別為0、2、4時(shí)，在r=0.25d(r為測(cè)點(diǎn)的徑向位置)處z軸方向的液相速度分布見(jiàn)圖3～圖5。

圖3　擋板數(shù)量不同時(shí)r=0.25 d處z軸方向液相徑向速度分布

圖4　擋板數(shù)量不同時(shí)r=0.25 d處z軸方向液相軸向速度分布

由圖3可以看出，4塊擋板時(shí)的徑向速度最大，在兩槳葉的頂端達(dá)到速度峰值，3種不同擋板數(shù)下的速度分布具有相似性。

從圖4可以看出，4塊擋板時(shí)的軸向速度較大，有利于軸向流體均勻混合。在每層槳葉區(qū)下部，軸向速度為正值，以上則為負(fù)值。這是由于旋渦的存在，使軸向速度的方向發(fā)生變化。

從圖5可以看出，無(wú)擋板時(shí)的液相切向速度較大。這是由于無(wú)擋板情況下，切向速度未轉(zhuǎn)化為軸向和徑向速度，與文獻(xiàn)[11]中結(jié)果一致。此外，設(shè)置擋板情況下，切向速度的峰值主要在槳葉附近區(qū)域，設(shè)置2塊擋板和4塊擋板時(shí)切向速度峰值均出現(xiàn)在葉輪頂部區(qū)域。

2.3　擋板數(shù)對(duì)固-液兩相流場(chǎng)的影響

不同擋板數(shù)下攪拌槽內(nèi)固-液兩相流場(chǎng)中固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖6。

圖6　不同擋板數(shù)下攪拌槽內(nèi)固-液兩相流場(chǎng)中固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

從圖6總體來(lái)看，攪拌槽內(nèi)軸向固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，以h/d=0.5為界，上下區(qū)域的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布差異較大。

結(jié)合圖2進(jìn)一步分析可知，此種現(xiàn)象主要是由于槳葉間距較大，槳葉之間相互作用較小，未形成合并流所造成的。同時(shí)比較圖6中不同擋板數(shù)下固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布情況，無(wú)擋板時(shí)槽底固體顆粒體積分?jǐn)?shù)較低可知，設(shè)置2塊擋板和4塊擋板時(shí)，攪拌槽底固體顆粒體積分?jǐn)?shù)均較大。結(jié)合圖3～圖5中所示的3種情況下速度分布情況可知，切向速度對(duì)槽底固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布情況影響顯著。

在圖6的3種工況下，對(duì)應(yīng)的槽底最大固體顆粒體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖7～圖9。從圖7～圖9可知，隨著攪拌槳轉(zhuǎn)速的增加，3種工況下攪拌槽底部固體顆粒體積分?jǐn)?shù)均逐漸減小。依據(jù)文獻(xiàn)[12]中提出的濃度判定依據(jù)，結(jié)合圖7～圖9分析可知，當(dāng)固相體積分?jǐn)?shù)φmax=0.52時(shí)，攪拌槽內(nèi)達(dá)到完全離底懸浮。

圖7　不同轉(zhuǎn)速下無(wú)擋板時(shí)槽底最大固體顆粒體積分?jǐn)?shù)

圖8　不同轉(zhuǎn)速下2塊擋板時(shí)槽底最大固體顆粒體積分?jǐn)?shù)

圖9　不同轉(zhuǎn)速下4塊擋板時(shí)槽底最大固體顆粒體積分?jǐn)?shù)

0塊、2塊、4塊擋板條件下攪拌槽內(nèi)離底臨界懸浮轉(zhuǎn)速分別為31.3 r/min、46.7 r/min、46.8 r/min。無(wú)擋板時(shí)槽內(nèi)臨界懸浮轉(zhuǎn)速較小，與文獻(xiàn)[12]中結(jié)果吻合。結(jié)合圖3～圖5中3種工況的速度分布以及圖6中顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布情況分析可知，無(wú)擋板條件下槽內(nèi)的切向速度較大，槽底顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，從而導(dǎo)致整個(gè)攪拌槽內(nèi)的離底臨界懸浮轉(zhuǎn)速較小，進(jìn)而可判斷出離底臨界懸浮轉(zhuǎn)速對(duì)切向速度較為敏感。此外，從圖7～圖9還可知，擋板的設(shè)置有助于改善整體顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布，無(wú)擋板時(shí)攪拌槽內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布沿軸向高度方向降低的速度較快，液面處顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，槽內(nèi)整體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布不均勻，與文獻(xiàn)[11]的結(jié)果吻合。

3　結(jié)語(yǔ)

利用CFD對(duì)攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，完成了用CFD軟件對(duì)不同擋板個(gè)數(shù)下攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的模擬分析。模擬結(jié)果綜合分析表明，均布4塊擋板的槽內(nèi)流型與文獻(xiàn)[13-14]試驗(yàn)結(jié)果吻合，擋板的設(shè)置有助于增加軸向和徑向速度，無(wú)擋板條件下槽內(nèi)徑向速度最大。攪拌槽內(nèi)擋板數(shù)對(duì)固-液兩相流流場(chǎng)的影響模擬結(jié)果表明，無(wú)擋板情況下槽內(nèi)切向速度較大，槽底固相體積分?jǐn)?shù)最小,臨界離底懸浮轉(zhuǎn)速最小為31.3 r/min，而擋板的設(shè)置有利于槽內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布均勻，提高顆粒局部體積分?jǐn)?shù)。

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