槳葉層數(shù)對導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)攪拌影響的數(shù)值模擬

羅璇， 馮羽生， 逄啟壽

（1.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械與電子學(xué)院，江西 贛州 341000； 2.江西理工大學(xué)， a.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

稀土是我國保護(hù)和計(jì)劃性開采的重要戰(zhàn)略資源[1]，而離子型重稀土是一種以離子形式存在的全世界少有的稀缺礦產(chǎn)資源，是我國特有、世界上罕見的離子型重稀土礦[2-3]。稀土不僅被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)行業(yè)，而且還應(yīng)用于半導(dǎo)體、軍工、航空航天等高端產(chǎn)業(yè)；隨著高端產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，重稀土對工業(yè)產(chǎn)品性能的利用價(jià)值越來越大，其需求量也在逐年攀升。目前，濕法冶金已經(jīng)成為稀土分離領(lǐng)域的重要方法，其設(shè)備占據(jù)著整個(gè)稀土分離設(shè)備的大部分比重[4-5]。近年來，隨著稀土分離技術(shù)不斷地深入研究，稀土萃取工藝和相關(guān)稀土萃取設(shè)備的優(yōu)化逐漸受到企業(yè)的重視，其對提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義[6-9]。

贛南稀土萃取廠的混合澄清槽是較通用的關(guān)鍵萃取設(shè)備，其以獨(dú)特的優(yōu)越性能和簡單的結(jié)構(gòu)構(gòu)造被廣泛應(yīng)用[10]，文獻(xiàn)[11]對帶有導(dǎo)流筒的攪拌槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了槳葉直徑大小對稀土萃取槽內(nèi)兩相流體混合攪拌過程中液體流動的影響；文獻(xiàn)[12]對稀土萃取槽、澄清槽的不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了三維數(shù)值模擬（三維流場及混合過程）分析，然后對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，其成果在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果；文獻(xiàn)[13-14]運(yùn)用CFD數(shù)值分析方法，對常見不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流筒調(diào)槳萃取槽進(jìn)行了模擬對比分析，其模擬分析數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論參考；文獻(xiàn)[15]對帶導(dǎo)流筒的稀土攪拌槽進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)，對液-固-固三相流場進(jìn)行了相關(guān)研究分析。

綜上所述，眾多科研工作者從如何提高設(shè)備性能入手，研究了不同結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)對稀土萃取槽和澄清槽性能的影響，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)方面取得了一定突破。不同規(guī)格的導(dǎo)流筒攪拌槽安裝不同層數(shù)的攪拌槳葉，有利于改善其內(nèi)部流場速度及湍動能分布，得到攪拌所需要的最佳流場狀態(tài)[16]。在稀土濕法生產(chǎn)過程中，相比單層槳葉，多層槳葉攪拌能大大提高流體的混合效率，因此，文中以贛州某稀土廠帶導(dǎo)流筒的稀土攪拌裝置為研究對象（如圖1），以攪拌槳層數(shù)為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件對導(dǎo)流筒式攪拌槽的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析[17]。

圖1 導(dǎo)流筒攪拌設(shè)備Fig.1 Mixing equipment of draft tube

1 導(dǎo)流筒攪拌槽模型構(gòu)建及求解過程

1.1 不同槳葉層數(shù)的導(dǎo)流筒攪拌槽模型構(gòu)建

本文以贛州某企業(yè)容積為10 m3攪拌槽實(shí)物為參考模型，利用三維Solidworks軟件構(gòu)建了單層和雙層攪拌槳導(dǎo)流筒攪拌槽實(shí)體三維模型圖2，平面尺寸如圖2（a）所示，攪拌槳葉片為45°。首先，選擇層間距區(qū)間為330～550 mm，然后根據(jù)公式Sp=（0.3～0.5）d，式中Sp表示槳葉層的間距，d表示葉片旋轉(zhuǎn)直徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和公式參考，槳葉層間距選為450 mm，其他參數(shù)不變，構(gòu)建其模型如圖2（b）所示[18]。

圖2 不同攪拌槳葉層數(shù)的導(dǎo)流筒攪拌槽模型：（a） 尺寸圖；（b） 三維模型Fig.2 Model of draft-tube stirred tank with different stirring blade layers number：（a） sketch map；（b） three dimensional graph

為真實(shí)再現(xiàn)釹鐵硼攪拌槽工作工況，根據(jù)相似原理，依據(jù)液相真實(shí)黏度和密度，選擇高度仿真物料體系（58%甘油水溶液其密度（20 ℃時(shí)）為1 148.3 kg/m3，黏度μ＝9.586×10-3Pa·s），以不同的攪拌槳葉層數(shù)為研究參數(shù)進(jìn)行了三維流場數(shù)值模擬[19]。

1.2 CFD求解過程

文章利用FLUENT 15.0中ANSYS Workbench模塊的CFD軟件來進(jìn)行求解分析，具體求解流程如圖3所示。將三維模型先導(dǎo)入軟件，采用多重參考系法（MRF）來解決槽壁和槳葉的轉(zhuǎn)動問題，進(jìn)而確定其初始條件旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域?yàn)镸oving Reference Frame，邊界條件靜區(qū)域?yàn)閃ALL，動態(tài)區(qū)域?yàn)镮NTERFACE，再對模型和部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而確定控制參數(shù)，最終輸出模擬仿真結(jié)果。

圖3 CFD求解流程Fig.3 Flow chart of CFD solution

2 不同攪拌槳葉層數(shù)導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)流場流動特性分析

現(xiàn)分別以單/雙層槳葉的導(dǎo)流筒攪拌槽為研究對象，利用FLUENT15.0流體力學(xué)軟件對其進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，計(jì)算出不同攪拌槳葉層數(shù)的導(dǎo)流筒式攪拌槽的流場特性，并對其模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 攪拌槽速度場分析

2.1.1 速度云圖分析

圖4所示為在z=0處導(dǎo)流筒攪拌槽單/雙層攪拌槳葉的速度云圖，觀察速度云圖可知：在槳葉旋轉(zhuǎn)作用下，攪拌槽內(nèi)產(chǎn)生的上下流體的回流是對稱的，其流體混合過程是強(qiáng)烈的；圖4導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)右側(cè)雙層攪拌槳攪拌效果相對于左側(cè)單層攪拌槳攪拌更劇烈，攪拌槽內(nèi)其流體混合更充分。

圖4 導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)z=0處單/雙層槳的速度云圖Fig.4 Velocity nephogram of single/double impeller at z=0 in a draft-tube stirred tank

2.1.2 攪拌槳葉層數(shù)對時(shí)均速度分布影響

為進(jìn)一步清晰呈現(xiàn)不同層槳葉導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)的流體攪拌混合效果，分別對單層攪拌槳葉和雙層攪拌槳葉導(dǎo)流筒攪拌槽進(jìn)行數(shù)值模擬分析，圖5為在z=0中心面處速度分布仿真單/雙層槳速度矢量圖。

圖5 導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)z=0處單/雙層槳的速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of single/double impeller at z=0 in a draft-tube stirred tank

流體運(yùn)動路線分析：如圖5速度矢量圖所示，在導(dǎo)流筒和攪拌槳葉的共同作用下，流體從攪拌槳葉的底部向?qū)Я魍矓嚢璨弁獗诹鲃?，再?jīng)液面上方運(yùn)動后返回槳葉中心對稱的兩側(cè)達(dá)到葉片的攪拌處，流體在葉片處集中并產(chǎn)生激烈混合，流體按照這種運(yùn)動路線不斷循環(huán)最終達(dá)到混合攪拌效果。

單/雙層攪拌槳流體流型分析：觀察圖5速度矢量圖，攪拌槽內(nèi)單、雙層攪拌槳的循環(huán)流動方向形態(tài)基本相似；但攪拌槽中雙層攪拌槳葉導(dǎo)流筒內(nèi)的液體流動速度更快，混合也更加劇烈，這是因?yàn)殡p層槳葉結(jié)構(gòu)的上層槳葉旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的吸力促使液體向下運(yùn)動，而下層槳葉的旋轉(zhuǎn)對上部下來的流體進(jìn)行加速，其向槽底排出，再經(jīng)導(dǎo)流筒外側(cè)循環(huán)運(yùn)動到槽頂部。導(dǎo)流筒內(nèi)的流體再經(jīng)過雙層槳葉的作用下被加速，使得流體速度變快，其中少部分流體（底部中心處）向下觸底后折頭向上進(jìn)入導(dǎo)流筒內(nèi)，而大部分流體經(jīng)導(dǎo)流筒外側(cè)上升運(yùn)動后流向槽頂部。單層槳攪拌槽導(dǎo)流筒內(nèi)，流體在單層槳葉作用下向下運(yùn)動，碰到槽底后發(fā)生轉(zhuǎn)向，但因其運(yùn)動能量較小，導(dǎo)致絕大部分流體在導(dǎo)流筒外側(cè)其速度方向便發(fā)生改變，致使頂部流體動能較雙層槳葉的液體動能更為緩慢。經(jīng)對比可知，雙層攪拌槳導(dǎo)流筒攪拌槽能更好地促進(jìn)不同流體混合。

單/雙層攪拌槳抽吸效果結(jié)果對比分析：在轉(zhuǎn)速相同條件下，單/雙層槳葉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在導(dǎo)流筒內(nèi)部所產(chǎn)生的負(fù)壓不相同，在導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)入口處，流體速度越大，流體循環(huán)流動越快，且攪拌槽內(nèi)流體混合越激烈，這樣流體混合也更充分。

通過對比分析可知，雙層攪拌槳導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)的液體混合效果優(yōu)于單層攪拌槳導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)的液體混合效果。

2.2 不同槳葉層數(shù)的導(dǎo)流筒攪拌槽湍動能分析

湍動能k可以體現(xiàn)流體混合能力的關(guān)鍵指標(biāo)，其經(jīng)驗(yàn)式為：

式（1）中：V為流體介質(zhì)流動速度，其為流體流動脈動強(qiáng)度；I為流體介質(zhì)湍流強(qiáng)度，其為流體隨時(shí)間和空間流動變化的程度。攪拌槽內(nèi)流體混合效果的好壞，可以通過湍流動能k來衡量，湍流動能是由流體速度V和湍流強(qiáng)度I數(shù)值來決定。

單/雙層攪拌槳湍流動能云圖分析：由圖6可知，湍流動能主要集中在攪拌槳葉周圍，這是因?yàn)?，在攪拌槳葉轉(zhuǎn)動過程中，攪拌區(qū)域的液體受較強(qiáng)剪切作用而形成比較大的湍流動能，對比圖6湍動能云圖和圖4速度云圖可知，通過湍動能云圖和速度云圖的分布狀態(tài)相似，據(jù)圖6和式（1）可知：液體的速度變大湍動能值也相應(yīng)變大。對比圖6單層槳和雙層槳的湍動能分布云圖，雙層攪拌槳槳葉比單層攪拌槳槳葉槽內(nèi)的湍動能更為劇烈。在雙層攪拌槳葉作用下，導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)整體流體循環(huán)流動被加強(qiáng)，導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)液體湍動能變得更大，同時(shí)導(dǎo)流筒攪拌槽的頂部和底部的流動混合也得到了加強(qiáng)，其槽內(nèi)流體混合程度也相應(yīng)隨之變得更強(qiáng)。

圖6 單/雙層槳在導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)z=0處湍動能云圖Fig.6 Cloud chart of turbulent kinetic energy of single/double impeller at z=0 in a stirred tank with a draft tube

3 功率消耗對比分析

流體攪拌功率P代表攪拌設(shè)備所消耗的能量，其攪拌功率計(jì)算公式如下：

式（2）中：M為扭矩?cái)?shù)值，單位N·m；n為轉(zhuǎn)速數(shù)值，單位r/min。

根據(jù)流體軟件FLUENT中自帶“Report”→“Forces”→“Moments”功能，求得扭矩?cái)?shù)據(jù)，然后依據(jù)上述公式計(jì)算其功率，如表1所列：給雙層槳驅(qū)動攪拌軸安裝一臺功率為11 256W的三相異步電動機(jī)， 同時(shí)給單層槳驅(qū)動攪拌軸安裝一臺功率為7 712W的三相異步電動機(jī)，這樣雙層攪拌槳比單層攪拌槳的攪拌功率增加了45.9%[20]。

表1 不同層數(shù)攪拌槳葉的攪拌力矩及功率Table 1 Stirring torque and power of stirring blades of different layers number

對比導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)單/雙層攪拌槳的流場分布情況：雙層攪拌槳的流場分布范圍更廣，其液體流動速度也更大，攪拌槽內(nèi)流體整個(gè)循環(huán)流型形態(tài)較為理想，液體的有效混合范圍比較大，攪拌槽內(nèi)流體在槽上部和下部流場效果都得到了進(jìn)一步優(yōu)化。雙槳葉攪拌槳的功率較單槳葉的相比增加了45.9%，但導(dǎo)流筒內(nèi)的流體介質(zhì)整體混合效率得到了非常大提高，混合強(qiáng)度也得到了明顯加強(qiáng)，這些在實(shí)際贛南稀土萃取車間運(yùn)用實(shí)踐中得到了驗(yàn)證[21-22]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，獲得不同層數(shù)攪拌槳葉的導(dǎo)流筒攪拌槽的攪拌力矩和功率，如表2所列。

表2 實(shí)驗(yàn)條件下不同層攪拌槳葉的攪拌力矩及功率Table 2 Stirring torque and power of different layer impeller under experimental conditions

對比表1和表2發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)變化不大，基本可求證之前的理論數(shù)值分析結(jié)果的正確性。

5 結(jié) 論

導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)，不同層數(shù)攪拌槳葉槽內(nèi)的流體攪拌混合效果不同，研究建立了不同攪拌槳葉層數(shù)的導(dǎo)流筒攪拌槽模型，利用流體軟件FLUENT對導(dǎo)流筒攪拌槽進(jìn)行了三維仿真模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）雙層攪拌槳導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)的流體，其整體循環(huán)流動得到了明顯加強(qiáng)。

2）據(jù)湍流動能和速度云圖分析，雙層攪拌槳導(dǎo)流筒攪拌槽內(nèi)的流體的有效作用范圍（體積）增大，槽內(nèi)流體速度也變大。

3）雙槳葉攪拌槳的功率較單槳葉的相比增加了45.9%，但其導(dǎo)流筒攪拌槽流體整體攪拌效果卻較優(yōu)。