帶導(dǎo)流板的自吸式攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)的數(shù)值模擬*

王 震，宋金星，白錦軍，高 勇**,李大艷，陳 慧

[1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.長(zhǎng)慶油田(榆林)油氣有限公司，陜西 榆林 719000；3.榆林學(xué)院 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，陜西 榆林 719000]

自吸式攪拌反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于生物工程、化學(xué)工程、冶金化工和污水處理等多種行業(yè)[1]，其不需要外界供給氣源，依靠槳葉的機(jī)械攪拌自行將氣體從外界吸入攪拌裝置內(nèi)[2]，是一種高效節(jié)能的攪拌裝置。郝惠娣等[3-4]通過(guò)改變攪拌槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)布局，在攪拌槽底設(shè)置導(dǎo)流板，槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)在攪拌槽的中心位置處會(huì)形成強(qiáng)有力的龍卷風(fēng)狀上升液流，在槳葉的作用下沿徑向排開(kāi)，碰到槽壁的阻擋時(shí)，分為上下兩股，分別沿著槽壁進(jìn)行流動(dòng)，達(dá)到混合物料或者流體的目的。該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有徑向流和軸向流的特點(diǎn)，在一些攪拌物料為高密度或高濃度固體懸浮顆粒的攪拌操作中具有很大的優(yōu)勢(shì)[5]。氣體再分布器的作用主要是導(dǎo)向、擴(kuò)壓和破碎。槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓將外界氣體沿氣體再分布器吸入，吸入的氣體被槳葉破碎后沿氣體再分布器的氣體分散通道排出，被二次破碎后分散在液體中[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自吸式攪拌槽也進(jìn)行了廣泛的研究[6-8]。作者利用Fluent軟件對(duì)帶導(dǎo)流板的自吸式攪拌槽內(nèi)的三維流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，考察了攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌槳安裝高度以及攪拌槳葉片數(shù)目對(duì)槽內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)的影響。

1 建立幾何模型及劃分網(wǎng)格

建立的攪拌槽幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 攪拌槽幾何模型

其幾何尺寸為攪拌槽內(nèi)徑D=300 mm,攪拌槽高度H=400 mm, 攪拌槳直徑d=100 mm,攪拌軸直徑d1=6.5 mm,氣體再分布器外徑Ds=190 mm,導(dǎo)流板高度h=25 mm, 液體液位H1=300 mm, 槳葉安裝高度L=100、120、150、180 mm。數(shù)值模擬中采用的槳葉為直葉槳(DT)。采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了使計(jì)算更為精確，對(duì)導(dǎo)流板、攪拌槳等進(jìn)行了局部的網(wǎng)格細(xì)化[9]，直葉槳和導(dǎo)流板網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2 設(shè)置邊界條件

槳葉、導(dǎo)流板、攪拌槽壁等固-液界面設(shè)置為無(wú)滑固壁邊界[10]，液面設(shè)置為自由液面[11]。

3 計(jì)算方法

數(shù)值模擬中采用基于壓力的求解器，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[12]。速度壓力的耦合采用SIMPLEC算法[13]。利用多重參考系法解決運(yùn)動(dòng)的槳葉與靜止的槽壁、導(dǎo)流板之間的相互作用[14]，將槳葉及其附近流體設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，將槽體、氣體再分布器和導(dǎo)流板設(shè)置為靜止區(qū)域，在2個(gè)區(qū)域的交界面利用插值實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換[10]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌槽內(nèi)整體流動(dòng)場(chǎng)的分析。收斂準(zhǔn)則采用RMS準(zhǔn)則，將質(zhì)量、動(dòng)量和湍流方程的收斂殘差設(shè)定為1×10-4。

4 結(jié)果與討論

4.1 攪拌轉(zhuǎn)速不同時(shí)槽內(nèi)流體的數(shù)值模擬

攪拌介質(zhì)為清水，攪拌槳安裝高度為150 mm，槳葉為六直葉槳(6DT)，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌槽混合性能的影響見(jiàn)圖3。

a n=200 r/min

由圖3可知，5種轉(zhuǎn)速下的攪拌槽內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的旋渦，即在攪拌槳下方的左右兩側(cè)均出現(xiàn)了2個(gè)循環(huán)流動(dòng)。流體沿徑向甩出，碰到攪拌槽壁面后，大部分流體由于重力的作用向下運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)流板的引導(dǎo)作用下，流體到達(dá)槽底后沿導(dǎo)流板向槽中心處流動(dòng)，然后向上形成中心龍卷流，最后回到攪拌槳中心完成一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)程。如此循環(huán)往復(fù)，就達(dá)到了充分混合的目的。速度的最大值均出現(xiàn)在槳葉的邊緣，攪拌槽內(nèi)除了氣體再分布器外側(cè)的部分流體速度較小，整體速度分布較為均勻，混合效果較好。

攪拌功率隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知，攪拌功率隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大呈指數(shù)形式逐漸增大。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，在槳葉、氣體再分布器和槽底導(dǎo)流板的相互作用下，大量氣體被持續(xù)吸入攪拌槽內(nèi)，被槳葉和氣體再分布器破碎為小氣泡，在6DT槳葉背后會(huì)形成較大尺寸的氣穴，且流體在和6DT槳碰撞時(shí)受到的阻力較大，功耗較高。

4.2 攪拌槳安裝高度不同時(shí)槽內(nèi)流體的數(shù)值模擬

攪拌介質(zhì)為清水，n=400 r/min，攪拌槳安裝高度對(duì)攪拌槽混合性能的影響見(jiàn)圖5。

a L=100 mm

由圖5可知，L=100 mm，攪拌槳下部的流體速度遠(yuǎn)大于攪拌槳上部，攪拌槳下部混合效果較好，但上部混合不充分；L=120 mm，攪拌槳下部流體速度較大，有循環(huán)流動(dòng)趨勢(shì)，混合較好，但氣體再分布器以上的部分流體速度變化較弱，受到的攪拌影響較??；L=150 mm，攪拌槽內(nèi)的速度分布最為規(guī)律，波及范圍最廣，即混合攪拌效果最好；L=180 mm，攪拌槳以下大部分流體速度較小，明顯達(dá)不到充分混合的要求。

攪拌功率隨攪拌槳安裝高度的變化曲線見(jiàn)圖6。

L/mm

由圖6可知，L=150 mm，攪拌槽的軸功率最小，攪拌混合效果較好，攪拌效率較高。這是因?yàn)椋瑪嚢铇诤线m的安裝高度下，攪拌功率隨著安裝高度的增加略微減??；在不合適的安裝高度下，攪拌效果會(huì)受到影響，功率會(huì)增加[15]。

4.3 攪拌槳葉片數(shù)目不同時(shí)槽內(nèi)流體的數(shù)值模擬

攪拌介質(zhì)為清水，n=400 r/min，L=150 mm，槳葉為4DT槳、6DT槳和8DT槳時(shí)攪拌槽內(nèi)軸截面處的速度云圖見(jiàn)圖7，槳葉所在平面處的湍流云圖見(jiàn)圖8。

a 4DT

a 4DT

由圖7、圖8可知，4DT槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉位置處的流體流速較大，靠近圓盤(pán)處的流體流速較小，攪拌槽內(nèi)存在明顯的速度梯度，混合效果不理想；隨著槳葉數(shù)目的增加，速度分布越均勻，攪拌混合效果越好，越有利于攪拌混合。槳葉為8DT槳，攪拌槽內(nèi)流體的混合性能最好，湍流程度已經(jīng)波及到了整個(gè)攪拌槽，因此8DT槳的攪拌混合效果最好。

5 結(jié) 論

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)速逐步增大時(shí)，攪拌功率也在逐步增大，攪拌槽內(nèi)的最大速度均出現(xiàn)在槳葉邊緣處；

(2)當(dāng)槳葉安裝高度逐步增大時(shí)，攪拌功率呈先降低再增加的趨勢(shì)，L=150 mm，攪拌功率最小，攪拌槽的攪拌混合性能最好；

(3)當(dāng)槳葉數(shù)目逐步增多時(shí)，攪拌槽內(nèi)流體速度分布更加均勻，湍流程度逐步增大，槳型為8DT，攪拌槽的攪拌性能最好。