攪拌槳結構參數(shù)對混合效率的影響

逄啟壽，徐　金，王海輝，羅　松

（江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000）

攪拌槳結構參數(shù)對混合效率的影響

逄啟壽，徐金，王海輝，羅松

（江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000）

混合效率是評價攪拌槳性能高低的一個重要指標，可以綜合反映功率消耗與混合時間的影響。文章采用鎢清液萃取攪拌槽作為模型，運用計算流體力學CFD軟件FLUENT模擬了雙層雙葉片攪拌槳在攪拌桶內的混合過程，分析了槳葉直徑、葉片角度、層距、下槳葉離攪拌桶底部距離四個結構參數(shù)對攪拌功率、混合時間以及混合效率三個指標的影響，計算結果表明槳葉直徑對三個指標的影響最大，其次是槳葉角度，下槳葉離攪拌桶底部的距離對三個指標影響最小，故在設計攪拌槳時應該首先考慮槳葉直徑和葉片角度。

混合效率；攪拌功率；混合時間；結構參數(shù)；攪拌槳

多層槳攪拌混合設備因其較單層攪拌槳具有更高的混合效率而廣泛應用于多個工業(yè)過程中，目前雖然對多層槳已經有很多試驗和理論研究，但多數(shù)研究的是單因素下的組合槳的攪拌特性，對多因素下的攪拌特性研究非常少。文獻［1］研究了直斜組合槳不同安裝順序對攪拌槽內物質擴散的影響。文獻［2］研究了雙層平直葉槳、雙層45°折葉渦輪槳和兩者組合槳在攪拌槽內的流動混合特性。文獻［3］驗證了組合攪拌槳可以增強攪拌槽內流體宏觀不穩(wěn)定性。文獻［4-6］分別對雙層Rushton槳攪拌槽的內部混合過程，雙層六直葉槳在高黏非牛頓流體中的混合時間以及三層組合槳攪拌槽內的流場進行了研究。

研究利用CFD軟件模擬雙層雙葉片攪拌槳在鎢清液萃取攪拌槽的攪拌混合過程，得到槳葉直徑、葉片角度、層距、下槳葉離攪拌槽底部的距離四個結構參數(shù)下的攪拌功率、混合時間以及單位體積混合能，并分析四個結構參數(shù)對鎢清液萃取攪拌槽混合效率的影響，為鎢清液的萃取攪拌設備的設計提供理論基礎。

1　幾何結構及網格劃分

模擬所采用的模型是鎢清液萃取攪拌槽，該攪拌槽是弧形底的圓桶，桶徑D=3 000mm；桶高H= 3 000mm，有效液面高度Hl=2 800mm；槳葉寬度b= 120mm；內部有4塊擋板，離桶壁距離S=50mm，擋板寬度Wb=250mm；攪拌槳為雙層雙葉片槳。攪拌槽的結構示意圖如圖1。

圖1　攪拌裝備內部結構幾何圖Fig.1　Internalstructureofm ixing tank

本文利用Mixsim參數(shù)化建模的方式建立攪拌桶的三維整體結構，導入GAMBIT軟件中采用非結構化網格方式劃分網格，同時將槳葉旋轉區(qū)域與外部桶體靜止區(qū)域分開劃分，并對攪拌旋轉區(qū)域內網格進行適當加密。

2　模擬參數(shù)與計算方法

2.1參數(shù)選取

研究將分析四個結構參數(shù)對混合效率的影響：槳葉直徑d、葉片角度θ、下槳葉離攪拌桶底部距離c、層距Sp作為研究的變量。各變量取值以初始槳葉各結構尺寸作為基礎并結合多層槳葉設計尺寸推薦公式，計算出各變量選取范圍，在參考該范圍區(qū)間對每個變量選取五組數(shù)據(jù)進行模擬，分析各變量對混合效率的影響。模擬計算時只有一個變量發(fā)生變化，其他變量保持初始槳的值。各變量選取計算公式及選取值，如表1。

表1　攪拌槳參數(shù)選取值Tab.1　Param etersof stirring paddle

2.2單位體積混合能計算

在攪拌混合中，單位體積混合能Wr用來表示混合效率，是綜合評價攪拌器攪拌性能的重要指標，它是單位體積攪拌功率Pr和混合時間θm的乘積［7］，在流體介質相同的情況下，單位體積混合能越小，則該混合效率越高，即攪拌器攪拌性能越好。單位體積混合能的計算公式如式（1）：

式中：Pr為單位體積攪拌功率，W/m3；θm為混合時間，s；V是攪拌槽的有效容積，m3。

攪拌功率Pr的計算公式為：

式中：M為扭矩，N·m，可以在數(shù)值模擬計算中得出；N為轉速，r/min；。

混合時間θm是通過監(jiān)測槽內設定的監(jiān)測點的濃度達到最終穩(wěn)定的濃度值的±5%的時間來確定的［8］，最終混合時間采用的是監(jiān)測點中最大混合時間。本文采用液面加料的方式，模擬時將示蹤劑加入點選取為靠近液面的一點T。監(jiān)測點共選取四處（圖2），各監(jiān)測點離桶壁距離相等且位置處于相鄰兩擋板之間，直角坐標系下各點坐標如下：P1（x=-800， y=-800，z=700）、P2（x=-800，y=-800，z=1 200）、P 3 （x=-800，y=-800，z=1 800）、P4（x=-800，y=-800，z=2 400），坐標原點位于桶底圓頂處。

圖2　監(jiān)測點與加料點位置示意圖Fig.2　Sketchm ap of themonitoring siteand feeding site

3　結果與討論

3.1攪拌功率分析

試驗通過模擬仿真得到轉速為75 r/min下的力矩結果，根據(jù)公式（2）計算出分別以槳葉直徑、層距、葉片角度、下槳葉離攪拌桶底部距離作為變量時的攪拌功率，各變量選取五組值，運用MATLAB繪圖如圖3。

由圖3分析可知，各變量對攪拌功率的影響程度及規(guī)律均不相同。其中，直徑對攪拌功率的影響最明顯，隨著直徑的增加，功率增加了兩個數(shù)量級，由原來的兩位數(shù)變?yōu)槲逦粩?shù)，并且呈指數(shù)函數(shù)方式增長，在直徑超過1 200mm時，功率增加速度過快，這是因為槳葉直徑呈倍數(shù)增長，使槳葉末端線速度呈倍數(shù)增長，單位時間排出的流體也呈倍數(shù)增加，而最終導致功率以次方形式增長；層距對攪拌功率的影響較弱，雖然在層距逐漸拉大的情況下，功率呈折線式增加且在速度上有逐漸減弱的趨勢，但是功率增加跨度比較小，范圍都在7 000W到8 000W之間，這是因為隨著層距的逐漸拉大，兩層槳葉的相互作用逐漸減弱，當層距超過直徑的0.5倍時連接流出現(xiàn)“斷層”，各層攪拌槳單獨作用，需要的剪切力更大，攪拌功率更大；槳葉角度對攪拌功率的影響較明顯，隨著槳葉角度的增加，功率呈正比例函數(shù)方式增加，增加跨度相對較大，這是因為隨著槳葉傾斜角度的增加，軸向流逐漸變?yōu)閺较蛄?，平均徑向速度增加，葉片剪切力變大，導致功率消耗增加。底距對攪拌功率的影響不明顯，隨著底距增加功率總體處于7 600W與7 650W之間，波動范圍較小，在波動范圍內有略微的先減后增的趨勢，總體上底距對于功率基本無影響，這與文獻［9-10］所得到的離底距離對于功率影響較小的結論一致。

圖3　各變量與功率關系曲線圖Fig.3　Relationship between variablesandm ixing power

3.2混合時間的分析

選用NaCl作為示蹤劑，采用動量守恒方程和能量守恒方程分開求解的方法。該方法是先在穩(wěn)態(tài)條件下求解動量方程得到流動場，待流場穩(wěn)定后將得到的流場信息結果作為計算初值代入非穩(wěn)定求解過程中，并鎖定速度、湍流動能等的輸運方程，計算時通過單獨求解質量濃度組分輸運方程，得到各時刻下槽體內各區(qū)域濃度值，通過對監(jiān)測點濃度進行監(jiān)測就可以得到最終混合時間，如表2。

由表2可以看出，直徑的增大能非常有效地縮短混合時間，直徑從600mm增加到800mm時混合時間縮短最快，但最終混合時間并未隨著直徑增加而一直減小，說明直徑對混合時間的縮短作用僅在一定尺寸范圍內。隨著層距的增加最終混合時間呈現(xiàn)先減小后增大的“波谷”狀，則設計攪拌槳時層距應該在“波谷”附近取值。在角度影響下所得到的最終混合時間作用規(guī)律類似直徑變化產生的效果，但是沒有直徑對其縮短效果那么明顯，角度對混合時間縮短作用同樣存在著一個范圍。底距對混合時間的影響不明顯，而且最終混合時間隨底距的變化出現(xiàn)小幅的上下波動，沒有明顯的規(guī)律。

表2　各變量下的混合時間Tab.2　M ixing timeof differentvariables

3.3單位體積混合能的分析

研究使用的攪拌槽有效容積為18.34m3，通過公式（1）可計算得出各變量下單位體積混合能及其關系折線圖，如圖4。

在單因素變化下，單位體積混合能波動范圍越大，則該因素對混合效率的影響程度越大。從圖4中可以看出，對混合效率的影響程度直徑＞角度＞層距＞底距。單位體積混合能隨著直徑的增加而明顯的增加，其變化的范圍接近25 kJ/m3是所有變量中對混合效率影響程度最大的。其中，直徑從1 300mm增加到1 500mm時單位體積混合能增長接近15 kJ/m3，占總體變化的3/5，說明在超過1 300mm時單位體積混合能由于增長太快而使混合效率迅速下降，因此直徑應該控制在小于1 300mm的范圍內。同樣單位體積混合能隨葉片角度的變大而遞增，但遞增趨勢較直徑因素弱，角度在50°～66°之間的單位體積混合能遞增速度要明顯高于30°～50°之間的遞增速度，由此可以得出折葉角度在小于50°時，攪拌槽單位體積混合能增長較慢，可以保持一個較高的混合效率。在層間距拉開下，單位體積混合能總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但減小的幅度小于增加的幅度，其中層間距在400～600mm之間時單位體積混合能較小，具有較好的混合效率。底距對單位體積混合能的影響不明顯，而且底距與單體積混合能的關系也不像其他變量下的折線，有明顯遞增或遞減的趨勢，而是趨勢很弱的上下波動式的“M”狀。

圖4　各變量與單位體積混合能關系曲線Fig.4　Relationship between different variab lesandm ixing energy of 1 000 litresm ixture

4　結論

（1）攪拌功率是評定一個攪拌系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)之一。直徑對攪拌功率的影響最明顯，隨著直徑的增加功率呈指數(shù)方式增加；角度對功率的影響僅次于直徑，隨角度的增加，功率呈正比例函數(shù)增加，二者是鎢清液萃取攪拌器設計時主要考慮的兩個因素。

（2）攪拌混合時間與單位體積混合能是評價攪拌器性能的兩個指標，分別代表混合速率與混合效率。直徑在超過1 300mm時，單位體積混合能與混合時間增加，攪拌器性能評價較差，而當直徑小于1 000mm時，雖然單位體積耗能較小，但混合時間較長，這在實際生產當中顯然是不利的。

（3）本研究主要是通過控制變量的方式，得到在單變量變化作用下，對攪拌槽的混合效率在影響程度上分別是直徑＞角度＞底距＞層距，而在多因素綜合作用下是否有相同結論還需要進一步分析。

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Effects of Structure Parameters of Stirring Padd le on M ixing Efficiency

PANGQishou，XU Jin，WANGHaihui，LUOSong

Faculty ofResourceand Environmental Engineering，JiangxiUniversity of Scienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China）

Showing the influence of power consumption and mixing time，the mixing efficiency is an important indicator while evaluating the performance of the impeller.The computational fluid dynamics（CFD）package FLUENT 6.0 was used to simulate the mixing process in stirred tank with double impeller.The influences of structure parameters，such as paddle diameter，angle and layer distance，the distance between lower paddle and bottom of the tank onmixing power，time and efficiencywere analyzed.The results showed that the paddle diameter has the largest impact on these three indicators；the second largest is the paddle angle；the distance between lower paddle and tank bottom has the least impacton them.Therefore，diameterand angle should be considered firstwhile designing a paddle.

mixingefficiency；mixing power；mixing time；structure parameter；stirring paddle

TQ051.7

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.014

2016-04-27

逄啟壽（1963-），男，山東濰坊人，教授，主要從事機械制造與冶金設備的研究。