新型攪拌器三維流場基礎上改進

孫利（鄭州化工與能源有限公司，河南 鄭州 450001）

攪拌設備使用歷史悠久，大量應用于化工、醫藥、食品、環保處理等行業中[1]。國內外關于攪拌器的流場研究已經有很多的文獻。畢學工等[2]使用Fluent對攪拌工藝過程進行數值模擬，研究槳葉長度、攪拌頭插入深度及轉速對攪拌效果的影響。張鎖龍等[3]對軸流槳及45°三葉折葉槳攪拌流場、功率的測試進行了對比及分析，得到了槳葉安裝高度對槳葉性能的影響。侯權等[4]對攪拌反應罐流場的各影響因素（如槳間距等）進行分析和研究，提出了攪拌反應罐內部結構的改進方向和措施。本文基于ANSYS Workbench 13.0 對新型攪拌器進行流固耦合數值模擬，為攪拌器的結構優化提供了參數及有效的分析方法。

1 理論基礎

假設：攪拌槽內流體為穩定流動，忽略周期湍流。計算遵循以下定律[5]：

(1)連續方程：

(2)動量方程：

式中ρ 表示流體密度，μ 表示流體速度，P 表示流體靜壓力，ρgi表示重力體積力，Fi表示外部作用力所產生的體力，同時還可以包括其它模型源項或用戶自定義源項，τij表示粘性應力張量。

（3）能量方程：

其中方程右邊前三項分別為導熱項、組分擴散項和粘性耗散項；Sh包括了化學反應熱和其他體積熱源的源項，Keff表示有效導熱系數，J'表示組分J'的擴散通量，T 表示流體溫度，E表示總能。

2 數值模擬

2.1 幾何模型

新型攪拌器：新型攪拌器是基于六斜葉攪拌器的基礎上改進的。是將矩形葉片改為T 型葉片，因此成為六T 型攪拌器。攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉T 型處的寬度分別為40mm和20mm，槳葉的傾斜角度為45°，槳葉的厚度為4mm。

六斜葉攪拌器：依據HG/T3796-2005 選取攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉的寬度為40mm，槳葉的傾斜角度為45°，槳葉的厚度為4mm。

六直葉攪拌器：依據HG/T3796-2005 選取攪拌器直徑為200mm，攪拌器槳葉的寬度為40mm，槳葉的厚度為4mm。

設置攪拌軸直徑為30mm，攪拌罐直徑為600mm，攪拌角速度為5rad/s

2.2 網格劃分

采用ANSYS Workbench 13.0 中自帶的方法Mesh 進行網格劃分。對于模型的處理是把攪拌器附近區域設為攪拌槳區，把攪拌罐中其他區域設為攪拌槳外區。攪拌槳區設置為直徑為220mm，高50mm 的柱形區域；攪拌槳外區設置為直徑為600mm，高600mm的柱形區域。

3 攪拌器三維流場分析

3.1 攪拌罐內水流速度分布

通過Fluid Flow 對三種形式的攪拌器進行三維流場分析，液流的高速區主要集中在攪拌槳葉附近，以及在攪拌區的上下形成的帶狀區域，攪拌罐的壁面處流速較低攪拌效果不好。新型攪拌器較六斜葉、六直葉攪拌器的混合效果較好，流速分布均勻。

在攪拌器中間截面上液流的高速區主要集中在攪拌槳葉附近，流速從槳葉處的最大漸變到攪拌罐壁面處零。

3.2 沿軸方向流速變化

通過FLUENT 對三種攪拌器分別進行流場分析，取平行于攪拌軸，且與攪拌軸的距離為0.15m處直線上的流體速度變化。

圖1 0.15m處的流速Fig.1 The flow rate of the 0.15m location

從圖1中可以看出，三種攪拌器在相同的轉速下，新型攪拌器（T型葉）在0.15m處的流速比六斜葉攪拌器和六直葉攪拌器的流速高，因此其攪拌混合性能好。

4 新型攪拌器結構分析

將FLUENT 中計算的新型攪拌器的結果導入Static Structural中進行結構分析，計算攪拌器上的應力和變形。

攪拌器在全速航行工況時，攪拌器的最大應力出現在葉根處，最大應力值為0.063038MPa。攪拌器的最大位移出現在葉尖處，最大位移量為0.00044013mm。這個位移量相當于攪拌器幾何尺寸是微小量，故本文中未考慮水動力和重力引起的槳葉變形對攪拌器的水動力性能的影響。

5 新型攪拌器模態分析

新型攪拌器靜態模態固有頻率與預應力模態固有頻率在數值上相差不大，說明流固耦合場對攪拌器固有頻率影響較小。

新型攪拌器在預應力下進行前6 階模態分析，當頻率為57.418Hz 時，將發生二階共振二階共振主要形式為揮舞振動，振幅最大處向葉尖轉移；當頻率為304.10Hz時，出現三階共振，三階共振主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

6 結語

（1）通過新型攪拌器（T型葉）與六斜葉攪拌器、六直葉攪拌器的攪拌性能的對比得出新型攪拌器的攪拌性能比六斜葉、六直葉攪拌器的攪拌性能好。

（2）基于Workbench13.0 對新型攪拌器進行流固耦合數值分析得出最大應力、最大應變都發生在攪拌器葉片的葉根處，最大應力為0.063038MPa，最大變形量發生在攪拌器葉尖處，最大變形量為0.00044013mm。

（3）基于Modal 對新型攪拌器進行了預應力下的模態分析得到了其前6 階的固有頻率，當攪拌器葉片的頻率為57.418Hz時發生二階共振，主要形式為揮舞振動，振幅最大處向葉尖轉移；當其頻率為304.10Hz時出現三階共振，主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

（4）對結果進行分析，得出攪拌槳葉片的受力分布形態和規律，為進一步研究疲勞壽命、斷裂分析和葉片的結構優化設計提供依據和參考。

[1]畢學工，岳銳等.基于Fluent的攪拌模研究[J].武漢科技大學學報，2012.

[2]張鎖龍，沈惠平等.JH型軸流式攪拌槳流場分析及設計[J].化學工程，1999，27（5）：26-29.

[3]侯權，潘紅良，馮巧波.基于Fluent的攪拌反應罐流場的優化研究[J].機械設計與研究，2005，21（03）：78-83.

[4]張馳宇，尹俠等.雙層圓盤渦輪式攪拌器的CFX流場模擬[J].南京工業大學學報，2012.