沉淀攪拌槽三維流場數值模擬

錢皎龍， 雷澤勇

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

目前，鈾礦山用的沉淀攪拌槽的設計很大程度依賴經驗，按照這種傳統的依靠經驗設計出來的攪拌器經常存在選用電機的功率過大、安裝高度不夠合理等問題。本文采用FLUENT14.5軟件對沉淀攪拌槽內的三維流場進行了模擬分析，并得出槳葉在不同離底高度下，攪拌軸所需要的功率，為攪拌器的設計提供了參考數據。

1 數值模擬

1.1 基本參數

某鈾礦山的沉淀攪拌槽為圓筒形，內徑D為3000mm，筒體高為3 500 mm，槽內均布4塊擋板，錨式攪拌器，攪拌轉速為34 r/min，變頻啟動，常溫、常壓下進行液-固兩相混合。液相是稀硫酸溶液，黏度為0.001 2 Pa·s，密度為1 102 kg/m3；固相為晶漿，密度為1 267 kg/m3，平均顆粒粒度為 12.88 μm，黏度為 0.04 Pa·s，體積分數為 19.52%。攪拌槳離槽底高度h分別為300 mm、450 mm和600 mm。沉淀攪拌槽結構示意圖見圖1。

1.2 模擬過程

1.2.1 建立幾何模型

采用Pro/E三維建模軟件分別建立沉淀攪拌槽的靜區域和動區域三維幾何模型，其中將攪拌槳及附近區域設為動區域，攪拌槽內動區域之外的區域設為靜區域，并把做好的幾何模型以IGS格式導出。

1.2.2 網格劃分

將在Pro/E中做好的模型導入到Gambit2.4中，本文采用混合網格進行網格劃分。兩個區域劃分網格的疏密程度不同，由于動區域能夠反映攪拌器性能及攪拌效果，因此對其進行加密處理，靜區域的網格劃分相對粗糙一些［1-2］，最后得到的靜區域和動區域網格數見表1。

圖1 沉淀攪拌槽結構示意圖

表1 動區域和靜區域網格數

1.2.3 求解設置

在FLUENT14.5軟件中求解設置如下：

壓力-速度耦合使用SIMPLE算法，差分格式采用一階迎風，湍流域采用標準k-ε模型，Eulerian多相流模型［3-4］。

2 流場分析與討論

攪拌轉速為34r/min，攪拌槳離底高度分別為300mm、450 mm和600 mm時，用FLUENT進行數值模擬。模擬得出的速度矢量圖見圖2，速度云圖見圖3。

從圖2可以看出，在中心軸、槳葉和加強筋之間所圍成的區域，流體均向中心軸流動，碰到中心軸后向內流動，由于該區域在垂直平面上是一個封閉的空間，流體之間存在相互干擾，導致該區域內的流體流速相對較低，造成能量浪費，且不利于混合；在加強筋的流體在槳葉區加速后，以射流的形式向槽壁和擋板撞擊，流體撞擊槽壁和擋板后，沿著槽壁和擋板向上流動，到達液面附近后再向下流回槳葉區，形成一個大的循環流動場，該區域有利于混合。

圖2 不同離底高度的速度矢量圖

從圖3看出，在加強筋上部靠近中心軸附近區域的流體流速很小，形成了流動死區，該區域隨著攪拌槳離底高度的增加而變大。圖3（c）中的流體流速大的范圍比圖3（a）、圖 3（b）要大，說明在攪拌槳離底高度為 600 mm時，即滿足h/D=0.2（h為攪拌槳離底高度，D為攪拌槽直徑）條件時，該區域的攪拌效果最好。在中心軸、加強筋和槳葉圍成的區域，靠近中心軸附近的流體流速較低，形成流動死區，在設計中應盡量減小該區域，該區域隨著攪拌槳離底高度的增加而變小；當攪拌槳離底高度為600 mm時，即滿足條件h/D為0.2時，循環效果最好。攪拌槳正下方存在一個錐形區域，流體的流速較低，形成流動死區，漿體極易在此處堆積，起不到混合效果，且對比可知，攪拌槳離底高度越高，該區域越大。

圖3 不同離底高度的速度云圖

3 功率計算

錨式攪拌器消耗的功率可以通過下式求得［5］：

式中：M 為扭矩，N·m；ω 為角速度，rad/s；N 為攪拌轉速，N=34 r/min。通過FLUENT軟件計算得到攪拌軸的扭矩M，然后再通過式（1）計算出攪拌槳在不同安裝高度下的功率值。計算結果見表2。

通過表2可知，當攪拌槳離底高度為450 mm時，消耗的功率最大，當高度為600 mm時，消耗的功率最小。對比文獻［6］中依據經驗選取攪拌槽攪拌功率為5.5～7.5 kW，本文模擬的沉淀攪拌槽更大，且攪拌轉速更高，計算得到的功率不大于5.7 kW，且通過內蒙某鈾礦山現場論證，該型號的沉淀攪拌槽能正常運行，說明通過數值模擬相比經驗設計，能夠取得更優的結果。

表2 攪拌槳離底不同高度的扭矩

4 結論

1）錨式攪拌器在攪拌槽中所產生的流型主要為軸流型，由于中心軸下方存在近似錐形的流動死區，將會導致漿體顆粒在該位置大量堆積。另外加強筋與槳葉相連的區域也存在流動死區，容易造成漿體顆粒在此聚集。為提高混合效果，建議在滿足設計強度的條件下，可以將兩邊的加強筋去掉。

2）通過對數值模擬結果的比較可知，該類型攪拌槳的安裝高度對攪拌軸所消耗功率的影響不大，再綜合考慮流動死區的大小，建議在設計該類型攪拌槳時，槳葉離底高度可以適當取大些，有利于減小流動死區，提高混合效果。

［1］ 苗一，潘家禎.軸流式攪拌槳攪拌槽內混合時間的數值模擬［J］.合成橡膠工業，2007，30（1）：5-9.

［2］ 梁瑛娜，高殿榮.雙層直斜葉及其組合槳攪拌槽三維流場數值模擬［J］.機械工程學報，2008，44（11）：290-297.

［3］ 宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2011：96-116.

［4］ 逄啟壽，王福輝，周雄軍.雙層攪拌槽內流場的數值模擬［J］.濕法冶金，2013，32（6）：415-418.

［5］ 許卓，趙恒文，鄭建坤.槳式攪拌器安裝高度對攪拌效果的數值模擬［J］.機械制造與自動化，2013，41（2）：178-181.

［6］ 肖微.沉淀攪拌槽的優化設計［J］.鈾礦冶，2014，33（1）：38-40.