不同表面結構葉片葉輪對攪拌流場特性的影響

摘要：為了提高流體介質的湍流強度和混合效率，將攪拌機的葉片表面設計為臺階狀，將常規(guī)葉片葉輪和臺階式葉片葉輪置于圓柱直筒內，通過速度場分布、冷熱水混合以及固液混合分析，進行初步的模型對比驗證，再將2種形式的葉片葉輪應用至實際高效沉淀池，進行1∶1仿真計算.結果表明：臺階式葉片的表面邊界層區(qū)域能夠產生更為劇烈的湍流結構，在每級臺階的迎水面前方均存在回流旋渦，其流態(tài)特性極為復雜，有利于促進局部的混合反應；伴隨著大量能量輸入，各相介質受到臺階面的沖擊擠壓作用，使得冷熱水和固液兩相的混合效果更為均勻，這一效應在低轉速（60 r/min）的模擬中表現(xiàn)得尤為顯著；在實際高效沉淀池的仿真中，56 r/min轉速下，采用臺階式葉片時，絮凝區(qū)流場的平均流速為0.152 m/s，采用常規(guī)葉片時平均流速為0.137 m/s，且臺階式葉片的湍流動能耗散要明顯高于后者.因此，在轉速較低的應用場景中，臺階式葉片的混合攪拌效果要明顯優(yōu)于常規(guī)葉片，研究結果對優(yōu)化混凝工藝具有積極的意義，為新式攪拌葉輪的開發(fā)提供了一種設計思路.

關鍵詞： 攪拌機；臺階式葉片；流場特性；流體仿真；熱交換

中圖分類號：S277.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8530（2024）09-0921-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0006開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

常少華，陳斌，楊陳，等.不同表面結構葉片葉輪對攪拌流場特性的影響[J].排灌機械工程學報，2024，42（9）：921-927.

CHANG Shaohua， CHEN Bin， YANG Chen， et al. Influence of vane impeller with different surface structure on characteristics of stirred flow field[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（9）：921-927.（in Chinese）

Influence of vane impeller with different surface structure

on characteristics of stirred flow field

CHANG Shaohua¹， CHEN Bin^1*， YANG Chen²， XU Yunfeng²

（1. School of Environmental Science and Engineering， Nanjing University of Information Science amp; Technology， Nanjing，Jiangsu 210098， China; 2. Lanshen Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu 210098， China）

Abstract： To enhance the turbulence intensity and mixing efficiency of the fluid medium， the surface of the agitator′s blades was designed with a step-like structure. The conventional blade impeller and the stepped blade impeller were placed in the cylindrical cylinder， and the preliminary model comparison and verification were carried out through velocity field distribution， hot and cold water mixing and solid-liquid mixing analysis. Then the two types of blade impeller were applied to the actual high-efficiency sedimentation tank， and the simulation was carried out through 1∶1. The results show that boundary layer region of the stepped blade can produce more violent turbulent structure， and there are reflux vortices in front of the facing water of each step， whose flow characteristics are extremely complex， which is conducive to promoting the local mixed reaction. With a large amount of energy input， each phase medium is affected by the impact and extrusion of the step surface， which makes the mixing effect of hot and cold water and solid-liquid phase more uniform. This effect is particularly significant in the simulation of low speed （60 r/min）. In the simulation of the actual high efficiency sedimentation tank， at 56 r/min， the average flow velocity of the flow field in the flocculation zone is 0.152 m/s when the stepped blade is used， and the average flow velocity is 0.137 m/s when the conventional blade is used， and the turbulent kinetic energy dissipation of the stepped blade is significantly higher than the latter. Therefore， in the application scenario of low rotational speed， the mixing effect of stepped blade is obviously better than that of conventional blade. The research results have positive significance for the optimization of coagulation process， and provide a design idea for the development of new type stirring impeller.

Key words： agitator;stepped blade;flow field characteristics;fluid simulation;heat exchange

混凝與絮凝是污水處理工藝流程中的重要步驟，向污水中投放藥劑，進行混凝與絮凝處理，以達到污水凈化的目的，混凝劑、絮凝劑與被處理污水的混合均勻性直接影響到水處理的最終效果^[1].在攪拌過程中，被處理水的內部形態(tài)對顆粒的碰撞及聚集效果影響較大，而通過單一的試驗條件無法對水體內部的流場進行有效考察^[2].因此，研究攪拌池內流場特性具有重要的意義.

隨著計算流體力學技術^[3]的不斷完善，混凝、絮凝過程中影響流場特性的相關因素均可以進行多因素仿真模擬.李國強^[4]利用該技術對網(wǎng)格絮凝池中過柵紊流特性進行了研究，表明了湍動動能使得絮體合理性碰撞，并分析出合理范圍的柵條板間距. BRIDGEMAN等^[5]利用 CFD技術評價形成絮體的強度，進而提高對有機物的去除能力.姚萌等^[6]選用不同攪拌槳葉類型對絮凝池內流場特性進行仿真模擬，尋找出合適的槳葉類型，有效地降低了反應器槽底部淤泥堆積的幾率.姚晨明等^[7]在基于CFD的不同攪拌組合多相流流場研究中，進行氣液兩相流非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，探究了其速度場、氣相體積分數(shù)和功率耗損情況，為氣液反應釜攪拌器的設計及優(yōu)選提供重要的參考.宋健斐等^[8]采用數(shù)值模擬的方法，以空氣-含油污泥為介質，研究了含油污泥溫度以及反應器結構對氣液兩相流場的影響.

攪拌機的葉片表面是混合攪拌進程中最核心的能量輸入來源^[9]，關于葉片表面形式對混合攪拌的影響卻鮮有文獻報道.因此，文中研究在常規(guī)攪拌葉片的基礎上設計新式的臺階葉片，利用ANSYS CFX軟件對其反應器內部水流特性及能量耗散進行可視化仿真模擬并根據(jù)流場流態(tài)特性、溫度分布、固液兩相分布^[10-11]及功率表征參數(shù)^[12]進行對比分析，為新式攪拌葉輪的設計提供一種全新的思路.

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

攪拌機的葉輪葉片在攪拌過程中會影響顆粒與藥劑之間的接觸碰撞，文中選取2種不同表面的葉片作為研究對象，即臺階式葉片與常規(guī)葉片.臺階式葉片的建模原理為傳統(tǒng)葉片的木模制作法，如圖1所示，采用1—14射線對葉片工作面進行劃分，射線之間選取5°夾角，從而形成臺階輪廓，在UG10.0軟件中進行葉輪的三維建模，如圖2所示.

首先采用軸流泵^[13]的數(shù)值計算方法，將葉輪置于圓柱形流道內（見圖3）進行初步的模型驗證，在此基礎上，再進行實際攪拌場景的研究.葉輪的基本參數(shù)：葉輪外徑D₁=300 mm，輪轂直徑D_h=100 mm，葉片數(shù)Z=3，臺階高度h=2.7 mm，轉速n=30～980 r/min.

網(wǎng)格劃分在ICEM CFD中完成，臺階式葉片表面極為復雜，不利于結構化網(wǎng)格的拓撲劃分，因此本次計算均采用非結構化網(wǎng)格.同時由于臺階式葉片的細小面極多，為準確模擬葉片表面的復雜流動，其網(wǎng)格加密要更加嚴格.在60 r/min轉速下，以葉輪扭矩M及水推力F作為指標進行網(wǎng)格無關性驗證，如圖4所示，可見當常規(guī)葉輪以及臺階式葉輪流域總網(wǎng)格數(shù)分別達到143萬和284萬時，能夠保證各自的扭矩及推力參數(shù)不再出現(xiàn)明顯波動，因此選取這兩組網(wǎng)格進行下文的數(shù)值計算.葉輪網(wǎng)格劃分如圖5所示.

計算的流體為三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)的黏性流場^[14]，建立連續(xù)性方程，考慮完全發(fā)展的湍流流動，采用標準k-ε湍流模型，對模型內復雜流場進行定常數(shù)值計算.針對不同的計算場景，流體介質分別為25 ℃清水、100 ℃清水和流沙.設置旋轉參考系，壓力為1.01×10⁵ Pa，固體壁面無滑移，近壁面的湍流流動采用標準壁面函數(shù)，采用二階迎風格式離散差分方程進行求解，采取亞松弛迭代方程迭代計算，收斂精度設為10^-4，在設計的轉速下選取合適的監(jiān)測點進行數(shù)值監(jiān)測.

其中標準k-ε方程為

式中：μ_t為渦黏性系數(shù)；P_k為湍動能k的生成項；C_μ=0.09; C_1ε=1.44；C_2ε=1.92；σ_k=1.0；σ_ε=1.3.

在進行不同溫度流體兩相流模擬中，在常溫 t₁=25 ℃液體介質的進口基礎上，再次添加溫度t₂=100 ℃的液體介質進口，當攪拌池內冷熱水接觸時，其換熱方式為熱對流^[15-17]，已知流體質量m和流體介質的定壓比熱容C_p，則熱流體總換熱量Q₁的計算公式和流體微團的導熱公式Q₂分別為

式中：ΔT為溫差；R為導熱熱阻；λ為導熱系數(shù)；S為接觸面積；L為微團厚度.

在模擬的過程中，采用出口面的平均溫度來表征不同溫度水的換熱結果，用G值來表征處理中水流的流動特性及速度梯度.G值計算采用Camp-Stein公式，即

式中：G為計算范圍內的絕對平均速度梯度，s^-1；P為反應池中每立方米水攪拌所施加的功率，W/（s·m³）；μ為水的絕對黏度，Pa·s.

固液兩相流模型采用Mixture混合模型，混合模型的連續(xù)性方程為

混合物的動量方程可以通過所有相各自的動量方程求和來獲得，即

式中：ρ_m為混合密度，kg/m³；v_m為質量平均流速，m/s；μ_m為混合黏性系數(shù)，Pa·s；F為體積力，N；n為相數(shù)；α_k為第k相的體積分數(shù)；ρ_k為第k相的密度，kg/m³；v_dr，k為第k相的漂移速度，m/s.

在攪拌過程中，藥劑等顆粒之間發(fā)生的碰撞并黏附過程的動力，來源于攪拌機的功率輸入.攪拌池中的紊動程度將直接影響藥劑等顆粒之間的碰撞頻率.而攪拌機葉輪的功率計算式為

P=2πNM=N_pρN³d⁵.（10）

在此次模擬試驗中，將不同葉片表面攪拌機軸功率與速度特性、體積分布和溫度分布一起，作為綜合評判不同葉片表面對攪拌池內流場特性的指標.

2 計算結果與分析

2.1 功率及揚程參數(shù)

在高效沉淀池的應用場合，攪拌機主要起混合攪拌的作用，轉速n一般不超過60 r/min，而在傳統(tǒng)絮凝池、混合池的場合，攪拌機的作用機理為推流混合，轉速一般不低于390 r/min，因此計算結果僅展示60，390以及650 r/min這3個典型轉速情況.表1為不同轉速下計算所得的葉輪功率及推力參數(shù).由于臺階式葉輪工作面被劃分為多個臺階面，其葉片翼型迎水沖擊較大，因此在相同轉速下，其消耗軸功率均大于常規(guī)葉輪.

2.2 流場特征及渦核分布

截取2葉片翼型的最大半徑處，總結2種葉片旋轉產生的特征流線，如圖6所示.常規(guī)葉片的邊界層光滑，流體吸收較多的環(huán)量，沿徑向切水方向做環(huán)形流動，流線十分光順；通過局部放大（圖6b），可以看出臺階式葉片來流受到臺階迎水面的沖擊擠壓作用，容易產生如箭頭所示的回流旋渦結構.

圖7，8分別為常規(guī)葉輪和臺階式葉輪流道內渦核強度為0.1的渦量分布情況及湍流強度.可以看出，旋渦在兩葉輪葉片的進口邊、出口邊及葉頂輪緣邊均有分布，葉片吸力面后方的旋渦呈現(xiàn)標準的空化三角形狀；隨著轉速的提高，旋渦體積不斷擴大，當轉速增大至650 r/min時，旋渦從吸力面輪緣處沿徑向朝葉片的出口后方不斷發(fā)展；常規(guī)葉輪由于工作面光滑，其葉片工作面鮮有旋渦分布，而臺階式葉輪每級臺階的迎水面均有回流旋渦分布，且其流道內湍流強度要高于常規(guī)葉輪，說明臺階式葉輪流道內水體能量耗散更大，流動更為紊亂.由此可以初步判斷：臺階式葉片葉輪在旋轉做功時，邊界層更容易制造湍流，其流場特性更適合混合攪拌的應用場合，有利于藥劑與污水雜質的充分混合反應.

2.3 溫度場分布

在單相數(shù)值計算的基礎上，添加傳熱模型和均相流模型，從側面進水管注入100 ℃熱水，主流道進水段來流均為25 ℃常溫水，計算由此變?yōu)椤耙阂骸眱上嗔饔嬎悖?種不等溫流體進行攪拌混合，通過流道的溫度云圖評價2種葉輪的攪拌效果，如圖9，10所示.

可以看出，隨著轉速的提高，受流道內電動機幾何部分的影響，高溫流體偏離集中在圓柱流道的外緣，臺階式葉輪流道的出口斷面溫度更高，斷面上的深藍色面積要低于常規(guī)葉輪.從整個流道來看，當轉速高于390 r/min時，常溫水與熱水的混合進程主要發(fā)生在葉輪區(qū)域及其后方的出水段內，進水段內紅色的高溫流體與常溫流體存在明顯邊界，其原因在于葉輪轉速較高，流域軸向流速也更大，流體介質主要受到離心力的影響，不同溫度的水體在沒有充分混合的情況下，即進入了葉輪區(qū)域；當轉速為60 r/min時，常溫水與熱水在兩葉輪流道的進水段內混合程度較高，且流體經過葉輪區(qū)域之后，在電動機區(qū)域的后方也無溫度斷層現(xiàn)象，2種不等溫流體的混合更為均勻，此時臺階式葉輪流道內的高溫區(qū)域面積大于常規(guī)葉輪，一定程度上能夠說明前者混合攪拌的優(yōu)越性.

2.4 固液兩相分布

在單相流數(shù)值計算的基礎上再次進行固液兩相計算，從側向進水管內向流道內輸入固相沙粒，固相沙粒顆粒的直徑設為0.2 mm，密度為2 300 kg/m³，側向進水斷面上固相體積分數(shù)設為0.1，液相體積分數(shù)設為0.9.

圖11，12分別為2種葉輪流道內的固相體積θ_v分布情況.可以看出，當轉速為390和650 r/min時，固相沙粒由側方進入流道后，經葉輪旋轉作用，均能順利排出出口斷面，但葉輪前方進水段流道內沙粒與水的混合程度較低，受離心力影響，固液相體積分布出現(xiàn)了明顯分層，經葉輪攪拌后，固相體積分數(shù)云圖在出水段內呈現(xiàn)均勻的藍色.當轉速為60 r/min時，臺階式葉輪進水流道內固相體積分數(shù)較高，其原因在于沙粒受臺階的迎水面沖擊，在進水段內造成大量固相的停留甚至回流，在實際應用場合中，有利于增加藥劑與雜質的接觸，使混合攪拌更為充分.因此，在低轉速下，臺階式葉片應用于絮凝場合，有利于絮凝劑與污水雜質間的充分反應，且由于轉速較低，不易造成絮狀體的破碎，在轉速更高的混凝場合，臺階式葉片也能夠充分混合污水中的固相成分與液相成分，可以為藥劑與污水的混合反應提供良好的環(huán)境.

2.5 高效沉淀池內的實際應用分析

至此，初步的模型驗證已經完成，為使模擬場景與實際應用相符，特別是為了驗證低轉速時臺階式葉片葉輪的攪拌性能，建立了高效沉淀池模型，高效沉淀池主要由混凝區(qū)（A）、絮凝區(qū)（B）和沉淀區(qū)（C）三者構成，如圖13所示.將葉輪置于絮凝區(qū)的導流筒內，導流筒底部與水箱焊接，并配有6枚均布的筋板.絮凝區(qū)的單獨模型如圖13b所示.

絮凝區(qū)攪拌轉速根據(jù)實際情況設為56 r/min，其中混凝區(qū)來流根據(jù)高效沉淀池的設計處理量15 m³/h設置為質量流量進口，PAM加藥流量為1 L/h，出口設為敞口，參考壓力為1.01×10⁵ Pa，從而使流體在經過絮凝處理后，自然排出至沉淀區(qū).數(shù)值計算結果如圖14，15所示.

從湍動能云圖和速度云圖可以看出：相較于常規(guī)葉片，臺階式葉片的攪拌流場湍動能耗散更大，尤其在導流筒內部的近葉區(qū)以及導流筒的上方流域，受臺階面能量輸入的影響，其湍動能值明顯高于常規(guī)葉片的攪拌流場，說明臺階式葉片葉輪的攪拌流場流態(tài)更加紊亂，更有利于PAM藥劑與污水的混合反應；且臺階葉片近葉區(qū)的紅色高速流域面積更大，經過向上方推流，其導流筒外部的深藍色低速區(qū)面積也明顯小于常規(guī)葉片葉輪流場；經數(shù)值模擬統(tǒng)計，在56 r/min轉速時，臺階葉片攪拌的絮凝池內平均流速達到0.152 m/s，而常規(guī)葉片攪拌的平均流速為0.137 m/s.

3 結 論

1） 臺階式葉片葉輪旋轉做功時，流體由于受到迎水面的沖擊擠壓，在臺階面處形成回流旋渦，其流道內的湍流耗散高于常規(guī)葉輪，臺階狀的邊界層特性易于制造劇烈的湍流結構，為顆粒發(fā)生碰撞提供更多的幾率，有利于混合攪拌.

2） 在圓柱直筒的模擬環(huán)境中，低轉速60 r/min時，臺階式葉片葉輪能夠更充分地混合冷熱水和沙水，受臺階迎水面的沖擊作用，該轉速下各相介質在葉輪區(qū)及其前方的進水流道內混合度極高，而常規(guī)葉片葉輪的流道內不同介質的體積分層則較為明顯；在390和650 r/min這2個典型轉速下，流體受離心力的影響較大，高溫熱水及沙粒均主要集中在圓柱流道的外緣，但從體積分數(shù)數(shù)值來看，臺階式葉片葉輪對不同介質的混合度也更加理想.

3） 在實際高效沉淀池的絮凝區(qū)模擬環(huán)境中，56 r/min轉速下，臺階式葉片葉輪制造的流場湍動能耗散更高，絮凝區(qū)的平均流速為0.152 m/s，高于常規(guī)葉片葉輪的流場平均流速0.137 m/s，與圓柱直筒內的模擬結果相符，能夠證明臺階式葉片在混合攪拌應用中的卓越性能.

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（責任編輯 談國鵬）