基于CFD技術優化乳化頭轉子結構

陳璟 陳四新 黃學通等

摘要：應用SolidWorks Flow Simulation對一款乳化頭4個不同轉子結構進行了CFD分析，通過仿真計算，直觀地獲得了釜內不同乳化頭周圍的流體速度分布云圖和流線軌跡；通過粒子示蹤法，模擬了制膠物料在乳化頭作用下的分布狀態；最后在乳化頭出料口外定距設定一草繪面獲取該面上的平均速度，以定量預測對比不同轉子結構的乳化效果。通過CFD分析，可從4個方案中選擇最佳結構，達到優化轉子的目的。

關鍵詞：膠粘劑制備；乳化頭；Flow Simulation；流體分析；CFD

膠粘劑在制備初期，物料各相之間互不相溶，需要配置乳化頭，以達到快速、均勻地將高黏度的溶液里的一個相或多個相分布到另一個連續相中。乳化頭一般由轉子和定子組成，通過轉子高速旋轉帶動周圍各相進入乳化區，使物料在定轉子之間狹窄間隙內受到強烈的機械攪拌和剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，使不相溶的固相、液相和氣相迅速均勻精細地分散乳化，經過高頻的循環往復，最終得到穩定的高品質混合分散均勻的產品。乳化頭是非標準件，根據不同行業要求，可有不同的結構設計。膠粘劑制備中使用的乳化頭結構設計是否合理，需要經過物理實驗來驗證。引入計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析后，在做物理實驗之前，先對設計出的乳化頭進行分析預測，可大大縮短產品開發周期。筆者先是運用了Flow Simulation對一款乳化頭轉速和流體黏度的關系進行了分析，觀察到當流體黏度低時，提高轉速可明顯提高乳化效果，而流體黏度高時，提高轉速對乳化效果的改善不如低黏度流體明顯[1]。筆者先在此基礎上，對此款乳化頭的定子結構進行改良，對比了在相同條件下不同定子結構對整體乳化效果的影響，確定了最佳定子結構[2]。本文再以此最佳定子結構為前提，對轉子結構進行改良，探索在相同條件下不同轉子結構對整體乳化效果的影響，以確定轉子的最佳結構。

1 分析部分

1.1 分析軟件及數模

專業的CFD分析軟件SolidWorks Flow Simulation，達索系統（Dassault Systemes S.A）下SolidWorks公司[3]；乳化頭（定子及轉子）、攪拌器等數模，柳州市豪杰特化工機械有限責任公司。

1.2 分析前處理

1.2.1 簡化模型創建

文獻[1]中乳化頭原型結構結論有：（1）此結構的乳化頭易在上料室產生積料；（2）對于高黏度流體，轉子轉速從3 000 r/min提高至6 000 r/min，物料分散效果增加幅度不比低黏度流體明顯[1]。針對結論（2），首先要知道，將轉速提高至6 000 r/min，電機功率增加及能耗高，而且對加固設備的強度和穩固性要求也提高。因此這種單純從提高轉速來達到加強乳化效果的方法，并不理想。最好能從結構上進行改進，作者先是基于轉子不變，優化定子，取消了定子的頂梢，節約了材料，減輕了質量，將定子出料口更改成上寬下窄型，經對比，獲得了最佳定子結構。基于此思路，本文在最佳的定子結構基礎上，再對轉子結構進行優化，進一步解決上料室的積料問題[2]。為了進一步緩解上料室的積料問題，提出上料室空間縮小或放大的設想，共設計了4個CFD分析項目，詳見表1，其中：項目2相對項目1僅將轉子葉加長至緊固中心，項目3相對項目2，將上料室高度減少了2 mm，項目4相對項目2將上料室高度增加了2 mm。

1.2.2 數值模擬假設

在實際制膠過程中，通過定子和轉子相互運動，對懸濁液及物料粒子進行強力乳化分散。因懸濁液及物料粒子相對整個氣體質量流量很小，對氣體流動的影響甚微，因此，可用粒子示蹤法來模擬膠體溶液里懸濁液及物料粒子隨氣流的運動狀況，這類數值模擬分析是基于以下假設：1）示蹤粒子是有體積（直徑可設定）的質點；2）示蹤粒子對流場無影響；3）示蹤粒子之間無相互作用；4）示蹤粒子的運動完全由流場決定[4]。

1.2.3 初始設置及邊界條件

初始設置：長度單位為mm，分析類型為內部流動；新建高黏度流體的動力黏度，是同溫下水動力黏度的1 676倍，相當于3 000 mPa·s，詳見圖1[1，5，6]。

邊界條件設置：分散盤區設定為旋轉區域，轉速為3 000 r/min（從上往下看，逆時針方向），釜內壁和底面設置為靜止，液面設為大氣壓（環境壓力）默認初始條件。4個CFD分析項目除轉子結構不同，其他設置完全相同，各乳化頭三維模型均由1個封閉桶體、1根旋轉軸、1個乳化頭（含定子和轉子各1個）組成。

1.2.4 網格劃分條件

本模型定子與轉子間隙很小，設定最小縫隙尺寸為0.1 mm，最小壁面厚度為1 mm，全局在采用自動設置下，“初始網格的級別”設為6級，“最小壁厚”設為2 mm，定子區域內進行網格細化，選擇“高級狹長通道”，旋轉區域還設定了局部細化網格，以獲得關鍵部位的更細小的網格，各結構的網格總數略有差別，大致為230萬左右，詳見表2。

1.3 CFD后處理表征

求解收斂后，采用速度云圖、流線軌跡、粒子示蹤法等后處理方法來模擬膠體溶液中懸濁液及物料粒子隨氣流的運動狀況。

2 結果分析

2.1 速度分布云圖

2.2 流動軌跡及粒子示蹤研究

2.3 局部速度定量分析

3 結語

（1）針對轉子的原型結構[1]，提供了3個設計方案，通過對“相同定子、不同轉子”乳化頭進行了CFD分析，模擬出4個項目的乳化頭周圍流體速度云圖、流線軌跡、粒子示蹤（物料分散）狀況。經綜合對比可知：①將轉子葉加長至緊固中心，能提高粒子的分散速度；②將上料室空間縮小或擴大，并不能有效解決上料室的積料效果。

（2）對于最原始的設計，通過點參數方法獲得的出料口外的流體平均速度是0.260 m/s，優化定子后，平均速度提至0.281 m/s[2]，優化轉子后，平均速度提至0.351 m/s。可見，通過CFD技術可對乳化頭結構進行不斷優化。

（3）在下一步優化中，可以嘗試在轉子盤上打孔，以促進上料室和下料室之間、上下料室與乳化頭外界之間的粒子交換。至于在轉子盤上打孔后的效果如何，則需要再進一步進行CFD流體分析驗證。

參考文獻

[1]陳璟，余恒建，韋建敏，等.基于SolidWorks Flow Simulation乳化頭效果分析[J].粘接，2014（2）：54-58.

[2]陳璟，李行可等.基于FLOW優化乳化頭定子結構[J].中國膠粘劑，2014（11）.

[3]陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程[M].北京：機械工業出版社，2013.

[4]王曉瑾，彭炯，楊伶，等.行星式攪拌釜內高黏固液兩相流的數值研究[J].計算機與應用化學，2011（10）：23-28.

[5]陳璟，周金卿，李行可，等.基于"SolidWorks"軟件的"Flow Simulation"插件選擇分散盤[J].中國膠粘劑，2013（12）：13-16.

[6]陳璟，梁健，周金卿，等.基于SolidWorks Flow Simulation的濾清器過濾效果流體分析[J].CAD/CAM與制造業信息化，2013（9）：56-59.