攪拌釜內流場三維數值模擬及功率預測

丁健華 馬 騰 陳 濤 楊象岳 劉延雷

（杭州市特種設備檢測研究院）

承壓攪拌釜 （如結晶釜、搪玻璃反應釜、發酵罐等）作為典型的特種設備，廣泛應用于生物醫藥、化學工業以及食品加工業中。攪拌功率、傳熱系數、混合時間和循環次數是攪拌器設計的重要參數，攪拌釜內葉輪功率消耗的大小是攪拌釜內液體攪拌程度和運動狀態的度量，也是選擇電機功率的依據。各項攪拌參數的選用取決于攪拌釜內所期望的流動狀態。因此，采用計算流體力學 （CFD）技術對攪拌釜內的流動狀態進行分析，就可以獲得流場的詳細信息，進而可以獲得各項攪拌特性參數，并將其用于攪拌釜的設計。

如何在保證大型攪拌釜內攪拌效果的前提下設計合理的攪拌結構，并保證攪拌器的強度和可靠性，這是近年來攪拌器設計的研究重點。近年來，隨著計算機技術的應用和普及，基于計算流體力學（CFD）的流場仿真技術作為有效的分析計算手段，在兩相混合時間預測[1-5]、攪拌器流場結構模擬和功率計算[6-8]等方面均得到廣泛的應用，也有很多相關的科研論文發表。

本文采用計算流體力學軟件Fluent對攪拌釜進行流動分析，并基于分析結果評價攪拌效果和預測攪拌器功率，從而為攪拌釜的設計提供參考依據。

1 計算模型和方法

1.1 物理模型

本文針對某攪拌釜攪拌器進行分析，攪拌釜結構如圖1所示。攪拌釜最小液位為距封頭底部7.37 m，這部分容積為80 m3，為總容積的60%；最高液位為距封頭底部10.89 m，這時的容積為120 m3，為總容積的90%。操作介質參數為：密度1100 kg/m3，黏度0.2 Pa·s。操作參數為：攪拌器轉速120 r/min，曝氣速率為8640 m3/h。

圖1 攪拌釜結構

1.2 數值計算模型

由于攪拌器所需的攪拌功率取決于攪拌釜內的流型和湍動程度，攪拌功率與葉輪的形狀、大小、轉速和流體性質、攪拌釜尺寸、釜內擋板條件 （攪拌釜內部換熱管道）以及葉輪在釜內位置等有直接的關系。因此，模型的建立重點考慮了葉輪、攪拌釜、軸等結構的詳細尺寸信息和位置信息，較真實地模擬了其實際條件。同時為提高計算效率，將換熱管簡化為擋板。流動計算域的大小對應攪拌釜裝料系數0.9時的情況 （此時介質體積為120 m3）。網格劃分采用分塊技術，各塊采用不同大小的網格劃分，使整個流域都能采用高質量網格。流體計算域的網格劃分結果如圖2所示，經網格量無關性驗證后選取的計算網格總量為7892343。

1.3 計算方法和邊界條件

本文采用有限體積法處理流體區域的方程離散，攪拌釜內流場計算和分析基于大型計算流體力學軟件ANSYS Fluent，計算域網格劃分采用軟件Gambit。

圖2 攪拌釜內流場的三維模型及網格劃分

2 數值模擬結果與分析

2.1 攪拌釜流場分析

圖3～圖6所示為攪拌釜內部速度場的詳細分布情況，同時還給出了縱截面和三個不同高度的橫截面上的速度分布情況。為便于表述，三個橫截面按幾何位置從低到高分別定義為1號截面 （距攪拌釜底部2000 mm）、2號截面 （距攪拌釜底部5000 mm）和3號截面 （距攪拌釜底部8000 mm）。從各速度分布圖可以看出，攪拌釜的攪拌效果良好。圖7給出了攪拌槳表面的壓力分布云圖。由圖7可以看到底層槳葉梢處壓力較高，相應的葉輪功率較大。

進一步對不同曝氣量的操作過程進行了兩相流模擬，主要目的是預測該攪拌器在不同曝氣流量下穩定工作的功率及釜內流場的氣液體積分數分布情況。前者為攪拌器的驅動電機配置提供參考，后者作為曝氣效果好壞的評價。

本文對五種曝氣量下的攪拌釜內部流場分別進行了數值模擬，對應的穩定狀態時的釜內含氣率分別為0%、25%、33%、42%、50%。圖8～圖12為各含氣率下攪拌釜內氣相體積分率分布情況。從圖中可見，釜內氣相體積分率分布較為均勻，曝氣效果較為理想。

2.2 功率預測

圖3 攪拌釜縱向截面速度矢量圖

圖4 攪拌釜1號橫截面流場矢量圖

圖5 攪拌釜2號橫截面流場矢量圖

通過攪拌釜內流場的分析，可得到各攪拌葉輪的扭矩、功率以及總扭矩和攪拌功率。分別對該攪拌釜的六種工況進行了數值模擬，其中平均含氣率通過下式估算：

式中 Ф——平均含氣率；

PG——通氣攪拌功率 （預估），W；

PA——氣體膨脹功率，W；

圖6 攪拌釜3號橫截面流場矢量圖

圖7 攪拌釜攪拌器葉輪表面壓力云圖

圖8 攪拌釜內氣相體積分率分布（未充氣）

圖9 攪拌釜內氣相體積分率分布（含氣率25%）

圖10 攪拌釜內氣相體積分率分布 （含氣率33%）

圖11 攪拌釜內氣相體積分率分布 （含氣率42%）

圖12 攪拌釜內氣相體積分率分布 （含氣率50%）

V——攪拌釜容積，m3；

Vs——通氣速率，m/s。

式中Hg——液位高度，m；

Hs——曝氣口高度，m；

QG——通氣流量，m3/s。

經估算，在攪拌功率為500 kW時含氣率為31.6%，與數值計算結果基本吻合。本文對其它不同含氣率工況也進行了計算，具體預測結果如表1所示。從表1可以看到，隨著含氣率增加，攪拌功率呈下降趨勢，但無明顯線性關系。

表1 攪拌器功率預測結果

3 結論

利用CFD技術對攪拌釜內部流動進行了詳細分析，得到了釜內的流場分布情況，并基于流場的數值模擬結果獲得攪拌功率。從計算結果可以看到，釜內流動分布較為合理，不同液位高度的流動較為均勻。

進一步采用兩相流數值模擬技術對不同曝氣量下的釜內氣液分布情況和功率進行了預測。該方法可為該類攪拌器的設計選型提供參考。

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