穿流型攪拌器結構參數優化

楊紅，王帆，王呈祥，曾真，劉洋，羅丹丹

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430074

穿流型攪拌器結構參數優化

楊紅1，2，王帆1，王呈祥1，曾真1，劉洋1，羅丹丹1

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430074

在特定攪拌槽條件下，針對穿流式斜葉槳式攪拌器，在常用的最高轉速300 r／min以內，就開孔位置、開孔率、開孔直徑等結構參數進行了數值模擬.將攪拌器以及附近區域都設為動區域進行模型簡化處理，基于四面體網格對模型進行網格劃分，采用多重參考系穩態處理法，選用標準k－ε湍流模型求解攪拌流場.引入攪拌系數K，從混合效果和功率消耗兩方面綜合評價攪拌器的優劣.攪拌功率實驗和分布時間實驗較好地驗證了數值模擬的結論.研究表明，相較于傳統攪拌槳，穿流式攪拌槳因能強化渦流擴散、減小槳葉投影面，可獲得更好的混合效果和更低的功耗，且隨著攪拌轉速的增大，功耗降低的越明顯；攪拌功率和混合時間隨開孔率和開孔直徑而變化，當開孔率為12%左右、開孔直徑為8 mm左右時，攪拌功率和混合時間最小，最為優化.

穿流式攪拌槳；結構參數；優化研究；CFD數值模擬；分布時間實驗；功率實驗

0 引言

攪拌是通過攪拌器使槽內介質某種循環，使液體、氣體介質強迫對流并均勻混合.而為了達到這一目的，需要通過強制對流、均勻混合的器件來實現.穿流型攪拌器泛指僅通過對槳葉或擋板上開通孔以產生射流效果的新型攪拌器，相關研究表明，新型穿流型攪拌器不但減小了槳葉在攪拌旋轉方向上的投影面積，從而減小了功率損耗；同時在攪拌混合時，槳的前面形成超壓，槳后面形成負壓，槳葉前后形成壓差而產生射流，能進一步強化湍動程度.穿流型攪拌能夠在節能、降耗情況下達到強化攪拌的目的［1－2］，并且在發酵工程等化工生產中得到應用［3－4］.CFD數值模擬技術已廣泛應用于攪拌流場研究［5－8］，在前期工作中，筆者已對特定攪拌槽條件下穿流型斜葉槳攪拌器的開孔位置進行了數值模擬和實驗研究［9］，本文繼續對開孔率和開孔直徑等結構參數進行優化研究.通過對攪拌流場的CFD數值模擬，以及攪拌功率和混合時間等的實驗對比，從混合效果和功率消耗兩方面綜合評價攪拌器的使用效果，進行參數優化，為穿流型攪拌器進一步的應用研究奠定基礎.

1 研究對象及建模

本文的主要研究對象是穿流型攪拌器，以四葉槳式攪拌器為例.槳式攪拌器的轉速適用范圍為10~300 r／min，因此后文中的數值模擬與實驗研究的最高速度定義為300 r／min.基于實驗室現有的攪拌試驗機，將模擬結果與實驗結果進行比較分析，其槽體部分為圓柱形筒體，球型封頭，內置四塊擋板，全擋板條件，以水為介質進行研究.

將整個攪拌槽分為兩個區域：動區域與靜區域.動區域為包含攪拌器的區域，靜區域包含整個靜止的槽體部分.基于非結構網格對模型進行網格劃分，采用MRF穩態處理法，假設流動是穩定的，選用標準k－ε湍流模型求解穩態下的攪拌流場.攪拌槽及攪拌器的具體結構參數及建模過程見文獻［9］.

2 模擬結果及分析

以45°斜葉穿流型攪拌器在轉速為240 r/min下的模擬結果為例，遠端開孔，對開孔率進行分析研究，選取部分穿流型攪拌器的橫截面速度矢量圖進行對比.如圖1~4所示：（為方便說明，將云圖以數字和半字劃組合命名，如：45－8－8表示的是一個45°斜葉、開孔直徑為8 mm和開孔率為8%的穿流型攪拌器，0－0表示為無孔.）

圖2 攪拌器45-8-6速度矢量圖Fig.2Velocity vector of 45-8-6 parameter

圖3 攪拌器45-8-12速度矢量圖Fig.3Velocity vector of 45-8-12 parameter

圖4 攪拌器45-6-12速度矢量圖Fig.4Velocity vector of 45-6-12 parameter

由于穿流型攪拌器開孔是在槳葉上，所以槳葉區附近的速度影響比較明顯.從圖1~4的速度矢量圖可以看出，穿流型攪拌器與傳統的攪拌器相比，其槳葉區的速度變化比較明顯，而且其最大速度也增大了許多，其中不開孔的攪拌器在槳葉區的速度較小，攪拌器45-8-12的速度梯度和攪拌器周圍速度增大比較明顯；從速度范圍來看，不同攪拌器的最大速度都有差別，其中攪拌器45-8-12的最大速度最大；結合兩個不同方面比較，穿流型攪拌器（見圖3），槳葉區速度較大，而且非槳葉區的速度也比其他攪拌器的速度大，且速度梯度明顯；而穿流型攪型攪拌器的速度場絕對優于傳統攪拌器，而且開孔率和開孔直徑對速度影響較大.

各個穿流型攪拌器之間相比，攪拌器45-8-12的攪拌效果最佳.從上述比較分析看，在槳葉上開孔具有很大的優點，而且結構參數對其流場有影響.

在此定義一個攪拌系數K＝墜v/P，其中墜是攪拌器類型與物料的函數，即當攪拌器型式和物料確定的情況下，墜保持不變，本次模擬結果中，攪拌槽的參數未發生變化，因此，攪拌系數與v／p直接相關；v表示的是最大速度；p表示攪拌功率.

由于攪拌系數與攪拌功率相關，而攪拌功率從宏觀上反應了攪拌器的能耗問題，最大速度也從宏觀上一定程度的反應了攪拌槽內湍流程度的大小，因此攪拌系數可以從能耗和渦流強度兩個方面反應攪拌器的性能.計算出在相同轉速下不同攪拌器的v／p，如圖5所示.

圖5 240r/min下不同攪拌器的攪拌系數Fig.5The mixing coefficients of different agitator in 240 r／min

由圖5可知攪拌器45-8-12的v／P最大，攪拌器45-8-5的v／P最小，即說明穿流型攪拌器45-8-12的攪拌效果最佳.

通過以上比較可以知道，穿流型攪拌器功率小于傳統四葉槳式攪拌器；當開孔位置和開孔直徑一定時，攪拌功率隨著開孔率的增大而減小；當開孔率一定時，開孔直徑為8 mm的攪拌器功率最小.

3 實驗對比分析

3.1 攪拌功率實驗

利用攪拌試驗機調節轉速可測得相對應的扭矩，通過下面的公式將扭矩與功率進行轉化，功率計算公式為

其中：

M——扭矩，N·m；

ω——角速度，rad／s；

N——示轉速，r／min.

當45°斜葉攪拌器的開孔直徑為8 mm時，得到的功率圖，如圖6所示；當斜葉攪拌器的開孔率為12%時，得到的功率圖，如圖7所示.

圖6 不同開孔率攪拌器實驗功率Fig.6Agitation power in different opening rate

圖7 不同開孔直徑攪拌器實驗功率Fig.7Agitation power in different hole diameter

根據上表可以得出以下結論：穿流型攪拌器與傳統攪拌器相比，攪拌功率有大幅下降；穿流型攪拌器的攪拌功率都隨著開孔率的不斷增大而減小，而且開孔率越大變化幅度越小.不開孔和12%開孔率的穿流型攪拌器功率差值很大；從12%開孔率下，從6 mm孔徑到16 mm孔徑范圍內，8 mm孔徑的功率消耗最低，可以說明8 mm孔徑為最佳開孔直徑.

3.2 混合時間實驗

混合時間是判斷混合效果的最重要的性能指標之一.混合時間（也可稱為分布時間）是指將兩種完全互溶、但其物理或化學性質（如電導率、顏色、溫度、折光率等）有差異的流體通過攪拌使之達到規定混均標準時所需的時間.

為便于比較本實驗測量的數值是在相同的測試條件下進行的與不同開孔率以及不同開孔直徑的關系如圖8和圖9所示.

圖8 不同開孔率下的混合時間Fig.8The mixing time in different opening rate

圖9 不同開孔直徑下的混合時間Fig.9The mixing time in different hole diameter

由圖9可知，當遠端開孔徑為8 mm時，開孔率為12%的攪拌器混合時間最短，因此12%的開孔率為攪拌效果最好的開孔率，即最佳開孔率.在遠端開孔和同一開孔率下，攪拌器孔徑為8 mm的混合時間最短，即孔徑為8 mm為最佳開孔直徑.

4 結語

以上從數值模擬和實驗研究兩個方面對傳統的四葉槳攪拌器和相應的穿流型攪拌器進行了對比分析研究.在不同轉速下，就開孔位置、開孔直徑和開孔率三個方面對穿流型攪拌器進行了對比分析，討論了三種因素對攪拌槽的攪拌流場、攪拌功率、混合效果等性能指標的影響.研究表明，在特定攪拌槽條件下，在槳式攪拌器常用的最高轉速300 r/min以內：

（1）同等條件下，穿流型攪拌器與傳統槳式攪拌器相比，攪拌混合效果更好、功耗更低，且隨著攪拌轉速的增大，功耗降低的越明顯.

（2）在相同開孔直徑和開孔位置條件下，攪拌功率和混合時間隨開孔率而變化，當開孔率為12%左右時，攪拌功率和混合時間最小，最為優化.

（3）在相同開孔位置和開孔率的情況下，攪拌功率和混合時間隨開孔直徑而變化，當開孔直徑為8 mm左右時，攪拌功率和混合時間最小，最為優化.

攪拌功率實驗和分布時間實驗較好驗證了數值模擬的結果，表明穿流型攪拌器有較好的綜合性能，相關研究方法和結構參數的優化結果，為穿流型攪拌器的進一步應用研究奠定了基礎.

致謝

感謝武漢工程大學機電院研究基金的支持！

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Optimizing structural parameters of punched impeller

YANG Hong1，2,WANG Fan1,WANG Cheng-xiang1,ZENG Zhen1,LIU Yang1,LUO Dan-dan1
1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China；2.Hubei Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety（Wuhan Institute of Technology）, Wuhan 430074,china

Aimed at punched agitator with pitched blade,the structural parameters of hole position,hole diameter and opening rate were numerically simulated in specific stirring tank.The agitator and its surrounding area were set as moving area for simplified treatment of model.Based on tetrahedral mesh of the model grid, the standard k-ε turbulence model and moving reference frame were used to solve steady-state mixing flow field.Mixing coefficient was introduced to evaluate the combination property of stirrer from the mixing effect and power consumption.Numerical results are well verified by the experiments of mixing time and mixing power.It is found that the punched impeller can get a better mixing effect and lower power consumption compared with traditional agitator blade.The punched impeller can intensify the eddy diffusion and reduce blade projection plane.The reduction of power consumption is more obvious as the speed increases.The changes of mixing power and mixing time depending on the hole diameter and the opening rate.The mixing power and mixing time are minimum and optimal when the opening rate is about 12%and the diameter is about 8 mm.

punched impeller;structural parameters;time-distribution;power

TQ027

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.009

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0039－05

2014-11-15

武漢工程大學科學研究基金資助項目（14105061）

楊紅（1971－），男，湖北當陽人，教授，博士.研究方向：新型高效過程裝備、機械設備智能監控等.