成球過程中三相物料運(yùn)動(dòng)流場仿真

楊建興 楊 斌 許燦啟 賈永杰

（1.西安近代化學(xué)研究所；2.西北大學(xué)化工學(xué)院）

球形發(fā)射藥裝藥密度高、流散性好，可大幅提高彈藥的體積能量密度， 一直是小口徑槍、榴彈發(fā)射器及迫擊炮等輕武器的主裝發(fā)射藥［1，2］。推進(jìn)劑的球形藥澆鑄工藝中的雙基球形藥，制備工藝均采用內(nèi)溶法成球工藝［3～5］。內(nèi)溶法成球工藝是將硝化纖維素（或吸收藥）、水、乙酸乙酯加入到成球釜內(nèi)，通過攪拌漿葉的強(qiáng)力攪拌，物料被溶解成具有一定粘度的高分子溶液，隨之被攪拌粉碎成細(xì)小的液滴，液滴與水不相溶，在表面張力的作用下，形成球形，再通過升溫，使乙酸乙酯汽化脫溶，液滴脫溶變硬形成球形藥粒［4～10］。 整個(gè)脫溶過程氣（乙酸乙酯氣體）液（水）顆粒（雙基藥粒）三相共存，是一個(gè)三相傳質(zhì)、傳熱的過程。

關(guān)于成球溫度、成球時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速及溶劑比等對球形藥質(zhì)量的影響已經(jīng)開展了大量試驗(yàn)研究，總結(jié)了相關(guān)規(guī)律［6～10］，但關(guān)于成球釜內(nèi)物料的氣液固三相分布、運(yùn)動(dòng)流場方面的分析研究未見公開報(bào)道。 筆者采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了成球釜內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)流場仿真，獲取了整個(gè)成球釜內(nèi)的流場信息，如相分布、流線分布、流場分布和三相之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對成球釜內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究和成球釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 CFD 模型概述

1.1 成球釜內(nèi)物料流場模擬假設(shè)條件

物料在攪拌器的帶動(dòng)下在成球釜內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，球形藥粒均勻分散在水中，熱量從壁面通過水介質(zhì)快速傳遞給藥粒，使其升溫，固相藥粒中的乙酸乙酯不斷汽化脫離藥粒，通過成球釜上封頭的排氣口流出。 成球釜內(nèi)料液的流動(dòng)特性（如停留時(shí)間、混合效率及湍動(dòng)強(qiáng)度等）直接決定了固相藥粒脫溶效果。

成球釜運(yùn)行中釜內(nèi)氣液顆粒三相共存，工質(zhì)受熱升溫后固相藥粒中所含的乙酸乙酯不斷發(fā)生汽化脫溶過程。

為了簡化計(jì)算，可以忽略汽化效應(yīng)，以恒定密度藥粒流入和流出成球釜過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡、體積分?jǐn)?shù)和溫度分布為基準(zhǔn)，分析成球釜內(nèi)攪拌器的擋板作用。

1.2 計(jì)算模型的選擇

選擇雙精度瞬態(tài)質(zhì)量可傳遞歐拉多相流模型進(jìn)行氣液顆粒三相的模擬， 其中基本相為液相，工質(zhì)為液態(tài)水；氣相是乙酸乙酯蒸汽；顆粒相為雙組分藥粒，一半成分為乙酸乙酯，另一半成分為雙基發(fā)射藥，其中，乙酸乙酯為可揮發(fā)分組分，受熱時(shí)會(huì)從顆粒相中揮發(fā)出來，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)乙酸乙酯。 同時(shí)，為了更精確地分析攪拌器和壁面擋流板對流場的相互作用、顆粒相的沉積和分離情況，模擬采用了滑移網(wǎng)格模型（一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)格模型）來處理攪拌器的運(yùn)動(dòng)。

1.3 網(wǎng)格劃分

模擬采用混合網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，包括攪拌器在內(nèi)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格部分采用多面體（足球結(jié)構(gòu)）網(wǎng)格，如圖1a、b 所示， 外圍的靜態(tài)網(wǎng)格部分采用六面體網(wǎng)格，如圖1c 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

1.4 湍流模型

計(jì)算采用了各向異性的k-omega 湍流模型對流動(dòng)的湍流現(xiàn)象進(jìn)行模擬。 相比常用的各向同性k-epsilon 湍流模型，k-omega 模型中，湍流在各個(gè)方向的脈動(dòng)不再是簡單的各向完全正比于速度大小，它考慮了不同方向速度的影響和相互耦合作用，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確［11～15］。

1.5 計(jì)算方法與離散格式

計(jì)算采用了相間耦合的simple 方法對全場流動(dòng)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。 時(shí)間格式采用一階隱式格式；為了保證計(jì)算能夠穩(wěn)定順利進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)方程、能量方程、組分方程和湍流方程都采用了低階離散格式——一階迎風(fēng)格式；為了盡可能地捕捉液相和氣相界面， 相體積格式采用了HRIC 離散格式，該格式能較好地捕捉氣液界面，但是仍然不能捕捉到銳利的自由液面，由于計(jì)算模型的限制，這已經(jīng)是在隱式多相流模型下最好的體積離散格式。

1.6 邊界條件

邊界條件見表1。

表1 邊界條件

壁面溫度設(shè)定為70 ℃， 攪拌器旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為300 r/min，方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。 顆粒相平均粒徑設(shè)為1 mm。

1.7 初始條件

對時(shí)間步長和計(jì)算時(shí)間進(jìn)行選擇。 歐拉多相流計(jì)算的收斂一直是個(gè)難題，網(wǎng)格選用六面體和多面體，盡量不選用四面體網(wǎng)格；時(shí)間步長不能太長，否則計(jì)算不僅難以收斂，甚至?xí)玫讲缓侠淼挠?jì)算結(jié)果。 筆者在計(jì)算中使用六面體和多面體網(wǎng)格， 時(shí)間步長控制在1/10000～5/10000 s 之間，以保證每個(gè)時(shí)間步長的計(jì)算能在20 次迭代之內(nèi)收斂， 也就是說每1 s 工藝時(shí)間， 要進(jìn)行2 000～10 000 次時(shí)間步長的迭代。 本次仿真使用了16個(gè)至強(qiáng)處理器進(jìn)行并行計(jì)算，計(jì)算30 s 工藝時(shí)間。

1.8 計(jì)算穩(wěn)定的判斷

從前面的分析已經(jīng)知道，進(jìn)行全物理時(shí)間尺度的計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，只能從假定的一個(gè)比較接近穩(wěn)定狀態(tài)的初場開始進(jìn)行計(jì)算，然后監(jiān)控成球釜內(nèi)的動(dòng)態(tài)流場的變化，當(dāng)流場出現(xiàn)規(guī)律性變化時(shí)，認(rèn)為流場基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后在某個(gè)時(shí)刻停止計(jì)算，分析成球釜內(nèi)的流場。

2 結(jié)果與討論

2.1 液相、氣相、顆粒相的三相體積比分布

氣相、液相、顆粒相的三相體積比分布云圖分別如圖2a、b、c 所示，在任意位置，三相體積比之和為1。

圖2 三相體積比分布云圖

2.2 流線分布

成球釜內(nèi)整體流線分布如圖3 所示，在計(jì)算模型中產(chǎn)生縱截面， 讓流線從這個(gè)縱截面出發(fā)，然后觀察流線分布。

圖3 成球釜內(nèi)三相物料流線分布云圖

結(jié)合三相體積比分布云圖和流線分布云圖可以看出，成球釜內(nèi)大致可以分為以下3 個(gè)流動(dòng)區(qū)域：

a. 第1 個(gè)流動(dòng)區(qū)域位于成球釜的上部，主要是揮發(fā)出的氣態(tài)乙酸乙酯聚集在一起，主要流動(dòng)呈圓周繞行趨勢，稱之為氣相區(qū)域；

b. 第2 個(gè)區(qū)域是氣相區(qū)域和液相區(qū)域的界面附近，稱之為過渡區(qū)域，該區(qū)域由于三相相互作用，流動(dòng)具有一定的隨機(jī)性；

c. 第3 個(gè)流動(dòng)區(qū)域位于成球釜的下部，主要成分是液相和顆粒相的混合物，夾雜微量的被裹挾的氣相物質(zhì)， 該區(qū)域是筆者研究的主要區(qū)域，雖然是液相和顆粒相的混合物，但是呈現(xiàn)液態(tài)流動(dòng)，在文中被稱為液相區(qū)域（注意與液相區(qū)分），該區(qū)域流動(dòng)復(fù)雜，但是規(guī)律性較強(qiáng)。

氣相區(qū)域流線分布如圖4 所示。 在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面1，讓流線從橫截面1 出發(fā)，然后觀察流線分布。 橫截面1 位于氣相區(qū)域，絕大部分流線會(huì)持續(xù)在氣相區(qū)域旋轉(zhuǎn)；接觸到液相和顆粒相后，流線跟隨液相和顆粒相進(jìn)入下半部，但數(shù)量較少，絕大部分流線碰到攪拌器終止；橫截面1出發(fā)的流線顯示氣相與液相有輕微的相互作用，在液相上層會(huì)發(fā)生少量摻混。

圖4 氣相區(qū)域流線圖

過渡區(qū)域流線分布如圖5 所示。 在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面2，讓流線從橫截面2 出發(fā)，然后觀察流線分布。 橫截面2 位于氣液界面相區(qū)域，部分流線會(huì)保持在氣相區(qū)域流動(dòng)，但是流線走向明顯受到液相影響，只有部分進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)，還有部分氣相明顯跟隨液相變向而變向；剩余部分流線跟隨液相和顆粒相進(jìn)入下半部，相較于橫截面1 出發(fā)的數(shù)量增加明顯， 大部分流線碰到攪拌器終止；橫截面2 出發(fā)的流線顯示氣相與液相有明顯相互作用，在液相上層會(huì)發(fā)生明顯摻混。

圖5 過渡區(qū)域流線圖

液相區(qū)域流線分布如圖6 所示。 在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面3，讓流線從橫截面3 出發(fā)，然后觀察流線分布。 橫截面3 已經(jīng)全部位于液相區(qū)域，只有小部分流線由于氣液相互作用進(jìn)入氣相區(qū)域； 絕大部分流線都會(huì)在中心位置向下進(jìn)入液相區(qū)域，在攪拌器的作用下，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：第1 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沿周向進(jìn)行，第2 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是在離心力的作用下， 在成球釜下部沿徑向向外甩出然后在壁面的作用下向上翻轉(zhuǎn)，并且在擋流板的阻流下，在液相上部重新進(jìn)入向下攪拌區(qū)域。

圖6 液相區(qū)域流線圖

2.3 流場分布

在計(jì)算模型中產(chǎn)生橫截面，讓流線從這個(gè)截面出發(fā)，然后觀察流場分布。 圖7 為成球釜5 個(gè)橫截面流場圖，分別為氣相區(qū)域、過渡區(qū)域、液相區(qū)域的流場分布圖。

圖7 成球釜內(nèi)物料流場分布

第1 橫截面（氣相區(qū)域）。 這個(gè)截面位于氣相區(qū)域，除了液相和顆粒相掉落下來的位置，都沒有顆粒相，也沒有顆粒相速度，所以只在進(jìn)口的下方有小塊區(qū)域有顆粒相速度， 在重力的作用下，幾乎垂直向下。

第2 橫截面（過渡區(qū)域）。 這個(gè)截面位于氣液界面區(qū)域，顆粒相濃度不大，可以清楚地看到擋流板強(qiáng)行改變了顆粒相的周向運(yùn)動(dòng)軌跡，使其向中心方向運(yùn)動(dòng)，以便向下沉積。

第3 橫截面（液相區(qū)域）。 這個(gè)截面位于液相區(qū)域，可以清楚地看到擋流板強(qiáng)行改變了顆粒相的周向運(yùn)動(dòng)軌跡，使其向中心方向運(yùn)動(dòng)，以便向下沉積。

第4 橫截面（液相區(qū)域）。 這個(gè)截面位于液相區(qū)域，可以清楚地看到擋流板強(qiáng)行改變了顆粒相的周向運(yùn)動(dòng)軌跡，使其向中心方向運(yùn)動(dòng)，以便向下沉積；而在周圍，顆粒相則在徑向軸向環(huán)流中向上翻滾。

第5 橫截面（液相區(qū)域）。 這個(gè)截面位于液相區(qū)域，可以清楚地看到在中間區(qū)域，由于攪拌器的作用，顆粒相有力地向下沉積，同時(shí)具有較強(qiáng)的周向運(yùn)動(dòng)；而在周圍，顆粒相則在徑向軸向環(huán)流中向上翻滾。

3 結(jié)論

3.1 在成球釜?dú)庀鄥^(qū)域，主要流動(dòng)為氣相呈圓周方向繞流。

3.2 在成球釜過渡區(qū)域，三相相互作用，在液相的表面及附近區(qū)域，液相和顆粒相由于受到壁面擋流板的阻流作用， 周向繞流會(huì)周期性地被破壞，產(chǎn)生向成球釜中心方向的流動(dòng)，在中心處，由于密度差異和攪拌器的作用，顆粒相和液相都會(huì)形成旋渦向成球釜底部流動(dòng)，并且顆粒相會(huì)發(fā)生分離和沉積， 同時(shí)少量氣相被裹挾進(jìn)入液相區(qū)域；這個(gè)區(qū)域的氣相流動(dòng)明顯受液相和顆粒相影響，并不完全呈現(xiàn)周向繞流，而是會(huì)跟隨液相和顆粒相向中心流動(dòng)， 只有當(dāng)氣相繼續(xù)向上升浮，才會(huì)逐漸完全形成周向繞流。

3.3 在成球釜液相區(qū)域，在中心處，液相和顆粒相會(huì)向下沉積，然后在攪拌器葉片區(qū)域，由于受攪拌器的攪拌作用會(huì)被甩向外圍，同時(shí)還具有周向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢；由于密度差異，被甩向外圍的液相和顆粒相會(huì)發(fā)生明顯的分離，然后在壁面和擋流板的作用下，液相和顆粒相會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向徑向-軸向面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 然后在靠近中心位置再次沉積，形成循環(huán)流動(dòng)。 所以，液相區(qū)域的流動(dòng)就是徑向-軸向平面上的旋轉(zhuǎn)環(huán)在周向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)環(huán)首尾相連，形成螺旋線。 在攪拌器的底部，由于顆粒相的密度較大，明顯形成一個(gè)顆粒相的沉積區(qū)域。 在攪拌器葉片的工作面和擋流板的背面會(huì)形成一個(gè)顆粒相體積比較小的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域隨著攪拌器的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。