推進輪對底置推進器反應釜性能影響計算與試驗研究

尚 勇，劉家歡，雷 洋，曾永忠

（1.四川省自貢工業(yè)泵有限責任公司，四川自貢 643031；2.西華大學 能源與動力工程學院，四川 成都 610039）

底置推進器是為實現(xiàn)反應釜、結晶器等裝置內部的結晶、攪拌循環(huán)而設計的底置推進設備，用于完成聚合、縮合、流化、氫化及烴化等化學過程，適用于流量大、揚程低的工況，在化工、石油、食品及醫(yī)藥等行業(yè)應用廣泛。運轉實踐證明，底置推進器運行穩(wěn)定、可靠且節(jié)能，能顯著提升產品產能。

反應釜內部流動復雜，對其內部流動特性的觀察和研究極為繁瑣和困難。通常采用試驗的方法對反應釜內部流動特性進行研究，但試驗方法存在所需設備種類多、精度高、專業(yè)性強、成本高、試驗周期長及不確定因素多等不足。伴隨云計算、大數(shù)據及存儲技術的迅猛發(fā)展，國內外諸多學者廣泛應用計算流體動力學（CFD）方法研究輸送流體的旋轉機械內部流動及性能，借助計算機對流體機械流動特性進行模擬分析日益普及［1-10］。

苗一等［11-12］應用 ANSYS-Flent仿真分析軟件，采用RNG k-ε模型，對串聯(lián)渦輪式攪拌器在反應釜中的有效混合時間進行模擬仿真分析，并得出了相應規(guī)律。胡躍華［13］對復合式攪拌器進行了研究及開發(fā)，該設備對產品產能提升有顯著促進作用。 JAWORSKI Z 等［14］應用 ANSYS-Flent 仿真分析軟件，對串聯(lián)式渦輪攪拌器進行了計算研究，研究結果對提升反應釜介質混合效率有重要參考價值。 MICALE G 等［15］借助 ANSYS-Flent 軟件，研究了單級與多級槳式葉輪對反應釜中含固介質分布特性的影響，并得到了相應規(guī)律。

本文借助CFD軟件，采用標準k-ε模型與N-S方程對反應釜三維內流場進行數(shù)值模擬計算分析，探討不同推進輪對推進器水力性能及反應釜內流場的影響，并通過試驗進行對比分析。

1 反應釜三維模型及控制方程

1.1 三維模型及計算網格劃分

數(shù)值模擬計算模型為底部配置有推進器的反應釜。底置推進器分A型、B型2種，A型推進器推進輪為槳式葉輪，B型推進器推進輪為翼型葉輪，推進輪三維模型見圖1，推進器結構及試驗裝置見圖2。

圖1 2種推進輪三維模型

圖2 推進器結構及試驗裝置

2種推進器的基本結構參數(shù)相同，葉輪外徑D1=1.6 m，葉輪葉片旋轉中心至反應釜底部距離L=2 m，推進器設計體積流量qV=13 500 m3/h、設計轉速 n=95 r/min、設計揚程 H=1.2 m，葉輪設計效率η=82%。反應釜外徑D2=10 m、高度D3=12 m、體積 V=700 m3。

數(shù)值模擬分析計算域由反應釜及推進器2部分構成，將計算域導入網格劃分模塊ICEM進行網格劃分，得到計算域網格。推進輪三維模型及反應釜計算域網格劃分見圖3。

圖3 推進輪三維模型及反應釜計算域網格劃分

1.2 控制方程

1972年 Spalding和 Launder提出標準k-ε模型［16-17］，該半經驗公式模型由試驗現(xiàn)象總結而來，適用于流態(tài)為全湍流的流動模擬計算，具有適用范圍廣、計算精度高、計算速度快及穩(wěn)定可靠等特點。該模型首先求解湍動能k及湍動能耗散率ε，再由k、ε計算結果求解出湍流黏度，具體方程表示如下：

式中，ρ為介質密度，kg/m3；k 為湍動能，m2/s2；t為時間，s；xi為介質位移，m；μ 為動力黏度，Pa·s；μt為湍流黏度系數(shù)，σk、σε為相應的湍流普朗特數(shù)；Gk為層流速度梯度產生的湍動能項，Gb為介質浮力產生的湍動能項；ε為湍動能耗散率，m2/s3；YM為可壓湍流介質壓力脈動膨脹對總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)。

1.3 計算條件及收斂準則

1.3.1 計算條件

①確定旋轉區(qū)域介質類型，推進器葉輪轉速95 r/min，非旋轉區(qū)域僅設置輸送介質類型。②反應釜所有內壁面均設置為靜止區(qū)域，其邊界類型設置為WALL。設置反應釜內部介質的上表面類型為SYMMETRY，旋轉域及非旋轉域接觸面類型為INTERFACE。

1.3.2 計算收斂準則

①收斂精度殘差計算標準為10-6，設置相關參數(shù)（如推進輪軸扭距、軸向力等）隨迭代計算步數(shù)增加呈脈動分布。②若預測計算結果存在大分離狀態(tài)，則各性能設置參數(shù)只需呈周期脈動變化，即可視計算結果滿足預期要求。

2 反應釜內部流場分布計算結果及分析

在設計流量及轉速下，對底置不同推進器的反應釜內部流場進行計算，得到的反應釜內部流線分布見圖4，壓力分布見圖5。

圖4所示的釜內流線分布情況表明，①推進輪外緣流速較輪轂附近區(qū)域流速高，套筒內流速均勻、流態(tài)穩(wěn)定，無明顯渦流。②反應釜中部、上部拐角及底部拐角區(qū)域出現(xiàn)渦流區(qū)，該區(qū)域易出現(xiàn)物料結晶下沉堆積及混合不均現(xiàn)象。③底置B型推進器反應釜內渦流區(qū)少、流速快、流態(tài)均勻，循環(huán)效果更佳。

圖4 設計流量和轉速下底置不同推進器反應釜內部流線分布

圖5表明，①在設計工況下，2種推進器反應釜套筒進口至葉輪段壓力均較套筒出口至葉輪段壓力低，套筒外、反應釜內壓力均勻。②底置B型推進器反應釜壓力更高，反應釜內液流總壓力梯度較A型推進器的低。

圖5 設計流量和轉速下底置不同推進器反應釜內部壓力分布

3 反應釜性能試驗驗證

3.1 推進器水力性能測試

借助筆者公司B級精度循環(huán)水泵測試系統(tǒng)，在設計轉速下對A型和B型這2種推進器進行水力性能運轉對比試驗，得到了不同工況下2種推進器體積流量與效率、揚程的試驗關系曲線，分別見圖6和圖7。

圖6 不同工況下2種推進器體積流量與效率試驗關系曲線

圖7 不同工況下2種推進器體積流量與揚程試驗關系曲線

分析圖6和圖7看出，①不同體積流量下，B型推進器的揚程及效率均比A型推進器的高。這是因為，B型推進器采用的是翼型葉輪，而A型推進器采用的是常規(guī)等厚槳式葉輪，推進器運轉時，B型推進器推進輪的升力系數(shù)較A型推進器推進輪的升力系數(shù)高，能量利用更充分。②設計體積流量下，B型推進器揚程較A型推進器揚程高0.3 m、效率高2%，使用B型推進器的經濟效益好，成本更低。

3.2 反應釜運轉試驗

推進器在設計轉速運轉時，對底置不同推進器的反應釜進行運轉試驗對比，得到的反應釜內流體流態(tài)情況見圖8。

圖8 設計轉速時底置不同推進器反應釜內流體流態(tài)

分析圖8可以知道，①底置A型推進器反應釜內液流呈間歇性翻騰狀態(tài)，反應釜機身會產生間歇振動。這是由于反應釜內部出現(xiàn)大渦流，造成流體流動不穩(wěn)定所致。②底置B型推進器反應釜內液流呈現(xiàn)沸騰狀態(tài)，流動充分，反應釜內無大渦流產生，推進器運行平穩(wěn)，反應釜機身無明顯的振動現(xiàn)象。

4 結語

借助CFD分析軟件，對底置不同推進器的反應釜內流場分布進行數(shù)值模擬計算，并通過運轉試驗加以驗證。數(shù)值模擬計算結果表明，采用不同推進輪時，反應釜內部分區(qū)域均存在渦流，反應釜頂部以及底部拐角區(qū)域明顯，容易出現(xiàn)物料混合不均及結晶下沉堆積的現(xiàn)象。運轉試驗結果表明，底置B型推進器反應釜運行時出現(xiàn)渦流少，翼型葉輪可以有效改善反應釜內的循環(huán)流動，降低物料混合不均、結晶下沉堆積風險，反應釜內液流呈沸騰狀循環(huán)，流動充分。通過運轉試驗表明，文中針對反應釜內部復雜三維流動及水力性能進行預測的數(shù)值模擬計算可靠，具有一定的工程運用參考價值。