不同擋板數(shù)攪拌桶流場的數(shù)值模擬

王明奎，令狐志強

（1.山西晉煤集團 長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；2.山西潞安煤基合成油有限公司，山西長治 046000）

0 引言

攪拌是一極重要的操作單元，在化工、冶金、食品、飼料等行業(yè)廣泛應(yīng)用，特別是在化工行業(yè)使用最多。攪拌能夠使物料混合均勻，強化傳質(zhì)、傳熱，是促進化學(xué)反應(yīng)以及分散乳化的重要手段。攪拌時首先通過對流擴散和湍流擴散使物料在兩個大尺度下進行混合，再使小微團均勻混合到分子尺度［1－3］。北京化工大學(xué)周國忠［4］等人評價了攪拌內(nèi)流場的各種模擬處理方法，采用多重參考系法實現(xiàn)了攪拌槽內(nèi)的整體數(shù)值模擬。張林進［5］等人用標(biāo)準(zhǔn)模型研究了DT和PTU型槳葉攪拌器內(nèi)的湍流場，結(jié)果表明：對于PTU和DT槳葉，理論預(yù)測速度場分布規(guī)律與LDA測試結(jié)果吻合較好，理論預(yù)測漩渦的空間位置坐標(biāo)與實測值完全一致。本文采用數(shù)值模擬的方法研究攪拌桶內(nèi)附件——擋板對傳質(zhì)混合的影響，以及攪拌桶內(nèi)擋板數(shù)量及其安裝方式對流體流動狀態(tài)的影響［6，7］。

1 攪拌槽模型

本文對制造簡便、應(yīng)用廣泛的折葉開啟渦輪式攪拌器進行數(shù)值模擬，研究攪拌桶中擋板個數(shù)對攪拌效果的影響。攪拌桶內(nèi)的流體進行三維流動，按柱坐標(biāo)可分解為軸向流、切向流和徑向流。軸向流和切向流相對應(yīng)于流體混合的對流擴散和渦流擴散，徑向流側(cè)重于分子尺度的混合。

攪拌桶的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：桶體直徑為Φ90 mm，桶高為200 mm，擋板離壁安裝且距槽壁為5 mm，擋板寬度為10 mm；攪拌器選取折葉開啟渦輪，葉片個數(shù)為4或6，葉片夾角θ為90°或60°，葉輪半徑為22 mm，葉片高度為11 mm，葉片厚度為4 mm，葉輪距離桶底為25 mm。葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，擋板數(shù)為4的攪拌桶體示意圖如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

本文攪拌器的模擬流場采用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型，對于攪拌桶中的旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的處理選用多重參考系。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系處理攪拌桶內(nèi)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用四面體網(wǎng)格處理；其他區(qū)域為靜止坐標(biāo)系，選用六面體網(wǎng)格劃分。壓力－速度耦合采用SEMPLE算法，流體流態(tài)為穩(wěn)態(tài)流，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，模擬殘差為10－5，攪拌的流體為水，攪拌速度為1 500 r／min［8］。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

圖2 擋板數(shù)為4的攪拌桶體示意圖

本文在相鄰兩個擋板中央的面上且距圓心為r＝28 mm處分析了隨軸向距離變化的各種速度場，其中，與重力加速度方向相反為軸向速度的正方向，反之為負；徑向速度的正方向為軸心指向攪拌桶壁，反之為負；切向速度的正方向為軸旋轉(zhuǎn)的方向，反之為負。

3 模擬結(jié)果與討論

圖3為合速度矢量圖。由圖3可知，流體經(jīng)葉輪作用后，一部分向槽底運動，之后沿桶體上升，在桶體中央與葉輪形成一個流體的循環(huán)，進而將流體攪拌混合均勻。

圖4為不同軸向距離（以桶底為原點）時合速度分布圖。由圖4可知，在葉輪處合速度較大，隨軸向距離的增加合速度逐漸減小。從圖4中可以清楚地看到，桶體均勻布置4個擋板時，合速度較大。

圖5為不同軸向距離時軸向速度分布圖。由圖5可知，隨軸向距離的增加軸向速度逐漸增大，在經(jīng)過葉輪處后逐漸減小，在軸向距離為0.05 m時軸向速度方向發(fā)生改變。在4擋板攪拌桶中，其軸向速度較大，有利于軸向流體的均勻混合。

圖3 合速度矢量圖

圖5 不同軸向距離時軸向速度分布圖

圖6 為不同軸向距離時切向速度分布圖。由圖6可知，在4擋板攪拌桶中，流體的切向速度隨軸向距離的增加整體比6擋板攪拌桶時大。切向速度在葉輪附近處較大，其次是槽底區(qū)域，在桶體較高處切向速度基本較小。

圖7為不同軸向距離時徑向速度分布圖。由圖7可知，在軸向距離較小時（即槽底區(qū)域）徑向速度較小，在葉輪區(qū)域處，徑向速度較大。在軸向距離為0.05 m以上時，徑向速度基本為0。4擋板攪拌桶中，徑向速度較大。

圖4 不同軸向距離時合速度分布圖

圖6 不同軸向距離時切向速度分布圖

圖7 不同軸向距離時徑向速度分布圖

4 結(jié)論

在小型攪拌桶中，明顯發(fā)現(xiàn)擋板數(shù)為4時，對攪拌混合傳質(zhì)影響較大的合速度、軸向速度、徑向速度、切向速度都較擋板數(shù)為6時大，且可以更加節(jié)省能耗，對于大型的攪拌桶中擋板個數(shù)還需要進一步研究。

［1］ 袁煬，曾程，李璐，等.高剪切混合罐內(nèi)物料流場的可視化與結(jié)構(gòu)改進［J］.食品與機械，2009，25（3）：69－73.

［2］ 蔣勇.攪拌槽內(nèi)微觀混合的研究［D］.北京：北京化工大學(xué) ，2004：12.

［3］ 武道吉，張永吉，李圭白，等.湍流混合動力學(xué)機理研究［J］.水科學(xué)進展，2003，14（6）：707－709.

［4］ 周國忠，施力田，王英琛.攪拌反應(yīng)器內(nèi)計算流體力學(xué)模擬技術(shù)進展［J］.化學(xué)工程，2004，32（3）：29－32.

［5］ 張林進，葉旭初.攪拌器內(nèi)湍流場的CFD模擬研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，27（5）：59－62.

［6］ 王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［7］ 陳乙崇.化工設(shè)備設(shè)計全書：攪拌設(shè)備設(shè)計［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［8］ 令狐志強.雙向推流攪拌桶的數(shù)值模擬與試驗研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2011：20－32.