雙層折葉槳式攪拌器三維流場的數值模擬*

李 迅 林如山 葉國安 胡曉丹 何 輝

(1. 中國原子能科學研究院放射化學研究所；2. 中核四〇四有限公司第四分公司)

攪拌反應器廣泛應用于石油、化工、冶金及水處理等工業領域[1]，其主要作用是促進不同物相之間的傳質與傳熱，因此關于攪拌槽內流體流動狀態(包括速度場和壓力場的分布與變化)的實驗研究和數值模擬一直很受重視[2～8]。早期的研究多以實驗模擬為主，如選用與真實體系物料性質相似的模擬材料在透明容器中進行攪拌，通過照相技術或直接觀察來判斷流體運動狀態和攪拌效果。隨著計算機技術的高速發展，利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)對流體運動、傳熱和相關現象進行分析研究已變得越來越普遍。MIXSIM是Fluent公司開發的針對攪拌混合問題的專用CFD 軟件，該軟件人機交互界面友好，能夠快速得到攪拌容器、攪拌槳的計算模型和混合特性，將流體運動現象可視化，為工程人員提供整體性定量報告。筆者采用該軟件對熔鹽萃取中使用的雙層折葉槳式攪拌器在半球底萃取槽中攪拌形成的三維流場進行了數值模擬研究，預測了萃取槽中各處流體運動和壓力分布狀態，為后續攪拌器、萃取槽的設計和優化提供參考。

1 攪拌器與萃取槽幾何模型及參數

以實際應用為基礎，利用某公司熔鹽萃取項目中使用的雙層折葉槳式攪拌器(圖1)和半球底結構萃取槽(圖2)進行研究。攪拌器兩層槳葉直徑均為45mm，寬為10mm、厚為1.2mm，每層槳葉數量為2，傾斜角度為45°，且方向相反，葉片層間距為45mm，下攪拌槳距萃取槽底部25mm；攪拌軸直徑8mm，攪拌器以700r/min恒定轉速順時針旋轉；萃取槽直徑100mm，總高度110mm，液面高度100mm，無擋板。

圖1 雙層折葉槳式攪拌器模型

圖2 半球底結構萃取槽模型

本次模擬以NaCl-KCl-MgCl2混合熔鹽為工作介質，軟件中所需輸入的主要物性參數是850℃下熔鹽的密度為1 550kg/m3，粘度為2mPa·s。

2 數值模擬過程

在軟件中輸入攪拌器和萃取槽模型各部位尺寸數據可以自動生成模型，MIXSIM能自動為整個區域生成非結構化網格，針對槽內構件的不同結構采用合適的網格間距，在保持單元數目較少的情況下，確保各種幾何模型都具有良好的網格質量。槳葉的網格劃分情況如圖3所示，模型整體網格劃分情況如圖 4所示，總網格數為182 793個。筆者采用多重參考系法(MRF)，槳葉及其附近流體區域定義為運動區域，采用旋轉坐標系；其他區域定義為靜止區域，采用靜止坐標系。

圖3 槳葉網格劃分

圖4 模型整體網格劃分

本次模擬求解器采用MIXSIM默認的Fluent求解器，湍流模型選用Realizablek-ε雙方程模型，迭代計算5 000次后，發現殘差曲線逐漸趨于平直，各項殘差值均低于10-4，說明該模型的收斂效果較好，網格劃分較為理想。

3 計算結果及分析

3.1壓力場

迭代計算完成后，將控制面板轉換至Fluent界面進行后處理，利用Fluent 提供的圖形工具可以方便地得到壓力云圖。圖5為攪拌器外表面的靜壓力分布云圖，可以看出，在迎風面越靠近槳葉邊緣，靜壓力越大；在背風面則相反。這表明攪拌槳各部位的壓力與線速度和運動方向密切相關，即線速度越大，壓力越大，且迎風面的靜壓力大于背風面的靜壓力。

圖5 攪拌器外表面的靜壓力分布云圖

圖6a為y=0.0mm平面(即攪拌器中間最大縱截面)的壓力分布云圖，圖6b為z=10.0mm平面(即距攪拌器底10.0mm平面)的壓力分布云圖。從圖6可以看出，萃取槽徑向壓力從外到里逐漸減小，靠近攪拌軸區域最小，且以攪拌軸為中心對稱分布；軸向壓力以下攪拌槳為分界線，葉片正下方壓力最小且為負值，遠小于槽內其他區域的壓力，這是由下攪拌槳葉片的傾斜方向和攪拌軸的旋轉方向決定的。在攪拌器的作用下，熔鹽從四周壓力較高的區域向中間壓力較低的區域流動，底部的熔鹽不斷向上抽送，與中上層料液充分混合，滿足實際工藝中傳質的需求。

a. y=0.0mm平面

b. z=10.0mm平面

3.2速度場

圖7為攪拌器外表面的速度分布云圖和速度矢量圖。從圖7a可以看出：攪拌器附近的速度以攪拌軸為中心，同一槳葉兩側的速度大小呈對稱分布，并沿槳葉邊緣逐漸增大，在槳葉邊緣處達到最大，這是由于在角速度相同的情況下，線速度只與半徑有關。由圖7b可清楚地觀察到速度的矢量方向與迎風面垂直，與轉向一致。由于上、下兩層葉片的傾斜角度相反，故上層葉片上的速度矢量方向為斜向下，下層葉片上的速度矢量方向為斜向上，這利于槽內熔鹽在攪拌器的攪拌作用下形成軸向混合流。

a. 速度分布云圖

b. 速度矢量圖

圖8a為z=10.0mm平面的速度矢量圖，圖8b為z=47.5mm平面(即上下兩層葉片中間位置平面)的速度矢量圖。由圖8a可知：在攪拌器下方的水平截面上，離槳葉外沿最近處速度最大，攪拌軸正下方速度最小。結合圖7可以判斷出，該區域的熔鹽受軸向力影響較大，受徑向力影響較小。由圖8b可知，在兩層葉片中間位置的水平截面上，離槳葉最近處速度最大，靠近萃取槽內壁和攪拌軸位置處速度較小。對比圖8可以發現，下攪拌槳下方水平截面的速度比兩層葉片中間水平截面的速度整體偏高。這應與半球底萃取槽底部空間較小和熔鹽質量較小有關，在外加動量相同的情況下，質量較小的部分速度較大。

a. y=10.0mm平面

b. z=47.5mm平面

圖9為y=0.0mm平面(即攪拌器中間最大縱截面)上的速度分布云圖和速度矢量圖。由圖9可知，離槳葉近的區域速度較大，靠近槽壁和攪拌軸的區域速度較小，以攪拌軸為中心，兩側的速度場近似對稱分布。這是由攪拌器的對稱性和轉速的恒定性決定的。每層攪拌槳都形成一個獨立的環流區，且上下兩層之間產生的流速場有明顯交叉，但中間位置徑向的速度梯度較大，說明兩層葉片的間距偏大。

a. 速度分布云圖

b. 速度矢量圖

4 結論

4.1采用CFD對熔鹽萃取攪拌槽內的熔鹽混合過程進行了數值模擬，運用MIXSIM軟件模擬了攪拌槳固定位置特定轉速條件下槽內的壓力場和速度場，得到了槽內的壓力云圖、速度分布云圖和速度矢量圖。

4.2萃取槽內的壓力由中心向四周逐漸增大，在槽壁附近達到最大，這主要是由熔鹽沖擊槽壁所致。萃取槽底部的壓力最小且為負值，遠小于槽內其他區域的壓力，有利于底層熔鹽向上抽送。

4.3雙層折葉槳式攪拌器可同時產生徑向流和軸向流，上下反向的兩層槳葉可使流場交叉，但層間距應控制在合理的范圍。在槳葉邊緣附近的流

速最高，在靠近槽壁附近區域的流速較小，說明該區域的物料混合可能不充分。

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