渦輪式與推進式攪拌釜的數值模擬研究①

劉培坤 張 瑞 楊興華 張悅刊 胡兆文

(山東科技大學機電工程學院)

渦輪式與推進式攪拌釜的數值模擬研究①

劉培坤 張 瑞 楊興華 張悅刊 胡兆文

(山東科技大學機電工程學院)

采用CFD技術對渦輪式和推進式攪拌釜進行了數值模擬。結果表明：當轉速為100r/min時，渦輪式攪拌釜槳葉區域流體的最高速度為3.10m/s，推進式的最高速度為2.36m/s，但推進式攪拌釜釜內流體的平均速度高于渦輪式的；在循環流區域，推進式攪拌釜釜內的湍動能數值范圍為0.042 9～0.856 0m2/s2，渦輪式的為0.017 6～0.035 2m2/s2，推進式槳葉的流體排出性能更強；推進式攪拌釜釜頂、釜中和釜底處的混合時間比渦輪式分別縮短了34%、39%、54%，提高了混合效率。

攪拌釜 渦輪式 推進式 CFD 混合時間

攪拌設備在化工、石油、冶金、水處理及造紙等行業中應用廣泛。攪拌器按流體流動形式可分為軸向流型和徑向流型[1]，軸向流型攪拌器(如推進式攪拌釜)具有循環能力強、動力消耗低等優點，徑向流型攪拌器(如渦輪式攪拌釜)具有徑向排量大、分散能力強等優點。推進式和渦輪式攪拌釜因制造簡單、混合效果好被廣泛應用于攪拌工藝中，因此深入分析這兩種攪拌釜釜內流體的流動特性對攪拌設備的選擇具有重要意義。

目前，對攪拌釜的實驗和理論研究已有很多，但相關的理論和設計計算方法仍不完善，并且在高溫、高壓等復雜情況下，在實驗室很難得到所需的詳細信息，不能準確指導工業實踐[2]。20世紀80年代，國內外開始采用激光多譜勒測速儀LDV來測量攪拌釜的內部流場，但LDV僅提供了排出流量準數、時均速度及脈動速度等參數，而不能從本質上認識混合與流動[3]。厲鵬等采用先進的粒子成像測速儀PIV，可以瞬時得到整個流場分布，然而PIV技術還不完善，尚處于應用初期，無法測量高速湍流下的湍流參數[4]。

筆者采用CFD技術對推進式和渦輪式攪拌釜進行了數值模擬。在相同條件下，通過模擬推進式和渦輪式攪拌釜釜內流體的速度分布、湍動能分布和混合時間，分析比較兩種攪拌釜的流體流動特性、排出性能和混合效率。

1 計算模型與模擬方法

1.1 物理模型

渦輪式和推進式攪拌釜的模型結構如圖1所 示。兩種攪拌釜釜體結構相同，釜徑1.8m，高2.5m，槳徑0.6m，釜壁設置6個擋板，底部采用橢圓形封頭。

b. 推進式

1.2 網格劃分

采用Gambit對攪拌釜模型進行網格劃分，槳葉相對于釜體來說結構相對復雜，因此攪拌釜內的網格劃分采用結構化和非結構化相結合的方法，動子區采用非結構化網格，槽內其他區域采用結構化網格。圖2為渦輪式和推進式攪拌釜的網格劃分。渦輪式攪拌釜網格總數為471 910，推進式攪拌釜網格總數為461 969。

a. 渦輪式

b. 推進式

1.3 模擬方法

流體在攪拌釜中的流動屬于三維、粘性、不可壓縮流動，湍流中流體速度、壓力及溫度等物理參數都隨時間、空間發生隨機變化，對湍流最根本的模擬方法是在湍流尺度的網格尺寸內求解瞬態三維Navier-Stokes方程[5]。對于湍流模擬，筆者采用雷諾時均模擬。攪拌釜內的動區域與靜區域是隨時間變化的，為解決運動槳葉和靜止擋板之間的相互作用，研究學者們提出了不同的解決辦法，主要有“黑箱”模型法、內外迭代法、多重參考系法和滑移網格法。筆者采用多重參考系法進行動靜區域的模擬，其優點是能夠實現攪拌釜內流動場的整體數值模擬，該方法適合預測槳葉擋板相互作用較小的體系，其時均結果對強相互作用的情況也較好[6]。

壓力與速度的耦合方式采用SIMPLE算法。控制方程、k-ε方程的離散均采用一階迎風格式。釜內介質為水，攪拌轉速為100r/min。

2 數值模擬與結果分析

2.1 速度矢量分布和漩渦分布

在相同轉速下對渦輪式和推進式攪拌釜的釜內流體速度進行數值模擬，結果如圖3所示。

a. 渦輪式

b. 推進式

由圖3可知，在相同轉速下，渦輪式攪拌釜釜內流體在攪拌槳葉區域的速度較高，最高速度為3.10m/s，推進式攪拌釜的最高速度為2.36m/s，且高速區分布范圍明顯小于渦輪式。在遠離槳葉的區域，兩種攪拌釜的釜內流體速度范圍差異較小，均介于0.12～0.77m/s之間。推進式攪拌釜釜內流體的平均速度高于渦輪式，說明推進式在增強混合方面效果更好。

對于渦輪式攪拌釜(圖3a)，其徑向渦流較多，在兩層槳葉之間有大湍流形成，在上層攪拌槳葉上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產生，大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主。對于推進式攪拌釜(圖3b)，主要以軸向流為主，在遠離攪拌槳葉區域有較大的軸向漩渦產生，有利于上下層介質交換、提高混合效率。

兩種攪拌釜的底層槳葉下部都出現了速度死區，該區域的流動速度極小，物質的傳遞和混合主要通過自由擴散進行。攪拌過程中會混有少量空氣，底部攪拌死區的形成是流場循環和底層槳葉的持氣特性共同導致的。渦輪式攪拌釜的底部速度高于推進式，因此攪拌釜底部具有一定的徑向流動可減小死區區域范圍。

2.2 湍動能分布

攪拌釜內流體的湍動能及其耗散率分布對于宏觀和微觀混合非常重要，因為湍動能表征了速度脈動的強度，它控制著流體的微團尺寸。

攪拌轉速為100r/min，對渦輪式和推進式攪拌釜釜內的湍動能進行數值模擬，結果如圖4所示。可以看出，渦輪式攪拌釜釜內湍動能分布極不均勻，主要集中在攪拌槳區和槳尾流區，范圍為0.070～0.352m2/s2。攪拌釜釜壁和釜底與液面鄰接處的湍流能量最小，容易造成該區域的混合不均勻。相比于渦輪式，推進式攪拌釜內部流場 的湍動能分布較均勻，并且湍動能數值明顯高于渦輪式。在循環流區域，推進式攪拌釜釜內的湍動能數值范圍為0.042 9～0.856 0m2/s2，渦輪式僅為0.017 6～0.035 2m2/s2，推進式攪拌釜釜內的湍動能明顯高于渦輪式。因此，在相同條件下推進式攪拌釜的流體排出性能更強，更有利于流體充分混合。

a. 渦輪式

b. 推進式

2.3 混合時間

混合時間是表征攪拌釜釜內流體混合狀況的一個重要參數。在模擬過程中，通常將其中一相設定為示蹤劑，其物理特性與水相同。一般認為，當示蹤劑濃度達到了最終穩定濃度值的±5%時，可以判定混合已經完成，所用時間即為混合時間[7]。本模擬中對兩種攪拌釜均采用相同位置的加料點和監測點(圖5)，攪拌釜容積6 000L。

圖5 加料點和監測點位置

為了方便觀察示蹤劑濃度穩定值的±5%，得出不同監測點的混合時間，筆者將各監測點的濃度值最終穩定為1，各時間段的示蹤劑濃度除以6.7×10-5，攪拌轉速100r/min，兩種攪拌釜不同監測點的示蹤劑濃度響應曲線如圖6所示。

圖6 兩種攪拌釜不同監測點的示蹤劑濃度響應曲線

兩種攪拌釜的混合時間見表1。可以看出，在3個監測點處，推進式攪拌釜的混合時間均比渦輪式的短，分別縮短了34%、39%、54%。這是因為推進式攪拌釜易形成軸向流，軸向流較徑向流更有利于攪拌流場內上下區域介質的混合，從而縮短混合時間。因此，相比于渦輪式攪拌釜，推進式攪拌釜的混合效率更高。

表1 兩種攪拌釜的混合時間 s

通過對比兩種攪拌釜的混合時間可以發現，釜底處的混合時間最短，靠近液面位置的混合時間較長。對于軸向速度而言，圖3中，下層液面的速度高于上層液面，說明下層的混合效率高于上層。但3個監測點的混合時間相差不大，說明兩種攪拌釜內各處的混合程度比較均勻。

3 結論

3.1 在相同轉速下，渦輪式攪拌釜槳葉區域流體的最高速度為3.10m/s，推進式攪拌釜槳葉區域流體的最高速度為2.36m/s。推進式攪拌釜釜內流體的平均速度高于渦輪式，因此在增強混合方面推進式攪拌釜效果更好。

3.2 渦輪式攪拌釜徑向渦流較多。推進式攪拌釜主要以軸向流為主，在遠離攪拌槳葉的區域有較大的軸向漩渦產生，有利于上下層介質交換、提高混合效率。攪拌釜底部具有一定的徑向流動可減小死區區域范圍。

3.3 在循環流區域，推進式攪拌釜釜內的湍動能數值范圍為0.042 9～0.856 0m2/s2，渦輪式僅為0.017 6～0.035 2m2/s2，可見軸流型槳葉的流體排出性能更強，更有利于流體充分混合。

3.4 相比于渦輪式攪拌釜，推進式攪拌釜的混合時間分別縮短了34%、39%、54%，證明軸流型槳葉的混合效率更高。

[1] 王凱,馮連芳.混合設備設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2] 方鍵,桑芝富,楊全保.側進式攪拌器三維流場的數值模擬[J].石油機械,2009,37(1):30～34.

[3] 張麗娜.渦輪槳攪拌槽內攪拌特性數值模擬研究[D].鄭州:鄭州大學,2007.

[4] 厲鵬,劉寶慶,金志江.攪拌釜內流場實驗研究與數值模擬的進展[J].化工機械,2010,37(6):799～804.

[5] Kasat G R,Khopkar A R,Ranade V V,et al.CFD Simulation of Liquid-Phase Mixing in Solid-Liquid Stirred Reactor[J].Chemical Engineering Science,2008,63(15):3877～3885.

[6] Chen T,Wang L Q,Wu D Z,et al.Investigation of the Mechanism of Low-Density Particle and Liquid Mixing Process in a Stirred Vessel[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,2012,90(4):925～935.

[7] 苗一,潘家禎,牛國瑞,等.多層槳攪拌槽內的宏觀混合特性[J].華東理工大學學報(自然科學版),2006,32(3):357～360.

NumericalSimulationofTurbo-typeandPush-typeStirredTanks

LIU Pei-kun, ZHANG Rui, YANG Xing-hua, ZHANG Yue-kan, HU Zhao-wen

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology)

Having CFD technology adopted to simulate turbo-type and push-type stirred tanks was implemented to show that, when the rotational speed is 100r/min, the maximum velocity of the fluid within the turbo-type stirred tank’s blade zone can be 3.10m/s and that in the push-type stirred tank is 2.36m/s, but the mean velocity of the fluid in the push-type tank is higher than that in the turbo-type tank; in the zone of circulating flow, the turbulent kinetic energy of the push-type tank ranges from 0.042 9 to 0.856 0m2/s2with 0.017 6 to 0.035 2m2/s2for the turbo-type tank and the fluid discharge performance of the push-type tank outperforms that of the turbo-type tank; and as compared to the turbo-type tank, the mixing time at the push-type tank’s upper, middle and lower points can be shorten by 34%, 39% and 54% respectively together with an improved mixing efficiency.

stirred tank, turbo-type, push-type, CFD, mixing time

劉培坤(1971-)，教授，從事固液分離技術與裝備的研究，lpk710128@163.com。

TQ051.7+2

A

0254-6094(2017)01-0084-05

2016-01-28，

2016-03-15)