不同組合槳煤漿攪拌槽混合特性的數值研究

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著水煤漿制備與燃燒技術的發展，水煤漿已部分代替燃油和燃煤，成為一種新型的燃料。水煤漿是一種多相流的流體，懸浮物為顆粒狀物質。本文采用計算流體力學(CFD)方法對流動混合過程進行數值計算，以模擬槽內的流動混合特性。

目前，國外馬里蘭大學的Calabrese教授及浙江大學的王瑾教授對臥式放置的煤漿混合槽內的氣液固三相流動進行了實驗研究和數值模擬；Chmalzrief教授計算了單層渦輪槳的三維濃度場分布，并利用文獻數據進行了驗證，認為計算結果與湍流模型選擇密切相關；王定標教授利用粒子圖像測速(PIV)和CFD技術研究了攪拌槽內雙層槳葉不同位置的流場和示蹤劑濃度分布情況，模擬結果與實驗結果基本一致。

然而，目前國內外對水煤漿多層組合槳攪拌槽內流動混合的研究較少。本文運用CFD方法對3種槳型的煤漿攪拌槽進行了數值計算，研究了不同漿葉組合對攪拌槽混合性能的影響，對水煤漿攪拌槽的深入研究和新型煤漿攪拌槽的設計開發具有一定的指導意義。

1 數值模擬方法

1.1 幾何模型

本文選用化工生產中廣泛應用的2種槳葉結構組合成3種攪拌槳型，對3種槳型的煤漿攪拌槽進行模擬研究。2種槳葉結構見圖1，圖1(a)為平直槳葉；圖1(b)為45°折葉渦輪槳葉。3種槳型的煤漿攪拌槽結構見圖2，圖2(Ⅰ)為單層平直槳煤漿攪拌槽；圖2(Ⅱ)為雙層45°折葉渦輪槳煤漿攪拌槽；圖2(Ⅲ)為平直槳葉-45°折葉渦輪槳葉組合槳煤漿攪拌槽。研究過程中設定煤漿攪拌槽直徑為3 400 mm，深為4 300 mm，槳葉直徑為1 950 mm，寬為200 mm，4個擋板均勻分布在煤漿攪拌槽內壁附近，其寬為200 mm，上層槳葉距煤漿攪拌槽底部2 800 mm，下層槳葉距煤漿攪拌槽底部800 mm。

圖1 2種槳葉結構

圖2 3種組合槳煤漿攪拌槽結構

關于攪拌槽PIV實驗與CFD模擬分析，大量研究表明，標準k-ε湍流模型能較好模擬攪拌槽內的三維流動[1-6]。采用三維雷諾平均N-S方程模擬煤漿攪拌槽內的流動混合，并以標準k-ε湍流模型使方程閉合進行數值計算，控制方程組如下：

(1)連續方程

(1)

(2)動量方程

(2)

(3)湍流模型

(3)

(4)

其中，p為靜壓；τmn為應力；ρgm為重力體積力；Fm為源項；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；σk與σε分別為與和耗散率與湍動能相對應的Prandtl數。

1.2 計算方法

本文采用ANSYS 15.0中fluent軟件進行模擬計算，首先采用穩態的隱式分離方法，待流場穩定后選擇非穩態的隱式分離方法，一直計算到結果收斂。壓力與速度的耦合求解采用SIMPLE算法，其對流項的離散采用一階迎風差分格式。選用多重參考系對煤漿攪拌槽進行網格劃分，即將煤漿攪拌槽分為兩個部分，分別對其進行網格劃分，采用非結構四面體混合網格，內部攪拌槳區網格設置為旋轉坐標系，外部槳外區域網格設置為靜止坐標系。

劃分網格時，將計算區域分為內外兩個區域，將內部動區域的流體旋轉速度與攪拌槳旋轉速度設為相同，外部靜區域內的流體設置為靜止。將槳和軸設置為旋轉邊界，將擋板及槽壁設置為靜止邊界。模擬計算時所選介質是煤漿，所選示蹤劑是石灰石添加劑，攪拌漿旋轉速度設置為60 r/min。

圖3 加料點位置

計算過程中考察3種組合槳煤漿攪拌槽中石灰石添加劑與水煤漿的混合情況，選取F為加料點，利用Fluent軟件中的MIXTURE模型，Patch加料點單元F內示蹤劑的體積分數為1，其他區域示蹤劑體積分數為0。加料點的具體位置見圖3。

2 計算結果與討論

2.1 3種組合槳攪拌槽流場分布的對比研究

圖4是3種組合槳攪拌槽X=0截面速度分布圖，3種情況下總的流型是以葉輪為界形成的上下循環流。在圖4(Ⅰ)中，單層平直槳葉附近的流體湍動主要集中在槳葉的頂端，形成的漩渦區域比較小。由于槳葉是平直的，其旋轉產生的切向流很大，軸向流動卻不明顯，所以攪拌槽中部和上部的流體得不到充分的擾動。整理上看，流體湍動不明顯，混合效果差；在圖4(Ⅱ)中，上下兩層都是45°折葉渦輪槳，流體軸向流動明顯增強，但從整體上看，形成的漩渦區域不明顯，流體湍動效果差，混合效果不好；在圖4(Ⅲ)中，形成的漩渦區域明顯，可以使流體充分混合，這是由于上層45°折葉渦輪槳葉產生的軸向流動與下層平直槳葉產生的周向流動的液體產生對流，流體充分擾動，混合效果增強。

2.2 3種組合槳攪拌槽流場示蹤劑分布的對比研究

圖5為在攪拌槽X=0截面上加料點F處加入示蹤劑后，攪拌槽X=0截面上示蹤劑的體積分布圖，從圖5中可知(Ⅰ)和(Ⅱ)中的流體分布極不均勻，(Ⅰ)中X=0截面的右邊中上部、左邊的攪拌葉片附近與攪拌軸上部附近示蹤劑的體積分數明顯高于其他部分示蹤劑的體積分數；(Ⅱ)中的X=0截面右邊中部示蹤劑體積分數明顯高于其他部分的示蹤劑體積分數；(Ⅲ)中示蹤劑體積分布比較均勻，石灰石示蹤劑與煤漿混合效果較好。這是因為(Ⅰ)和(Ⅱ)中示蹤劑體積分數高的區域流體速度較低，形成了較大的漩渦死區，示蹤劑不能與煤漿充分混合，而在(Ⅲ)中因為沒有漩渦死區，流體充分混合。

圖4 3種組合槳攪拌槽內流場分布

圖5 3種組合槳攪拌槽內示蹤劑分布

2.3 3種組合槳攪拌槽出口截面上示蹤劑體積分布

圖6是在攪拌槽F處加入示蹤劑后，攪拌槽X=0，截面Y值從-950 mm到-650 mm(出口截面徑向)處示蹤劑的體積分布。一般出口截面上各相的體積分數的波動范圍小于1%，則認為物料已經混合均勻。從圖中可以看出，隨著Y值的增大，(Ⅰ)的出口截面上示蹤劑體積分數逐漸增大，然后平穩，示蹤劑的體積分數在[0.565， 0.785]，最大波動幅度為38.4%；(Ⅱ)的出口截面上的體積分數逐漸降低，示蹤劑的體積分數在[0.72， 1.1]，最大波動幅度為52.8%；(Ⅲ)的出口截面上的體積分數在[1.61， 1.63]，最大波動幅度為1.24%。根據結果可以認為(Ⅲ)的整個出口截面上示蹤劑的體積分數基本無變化，這意味著石灰石添加劑與煤漿已經混合均勻。

圖6 3種組合槳攪拌槽出口截面示蹤劑體積分布

3 結語

(1)3種組合槳煤漿攪拌槽內流型基本是以葉輪為界形成的上下循環流，在槳葉的旋轉作用下，內部產生漩渦，漩渦一般都位于攪拌槳葉與擋板之間。漩渦的產生不僅有助于防止擋板處物料的堆積和流動死角的產生，還能使煤漿和石灰石添加劑混合得更均勻。

(2)不同形式槳葉組合對煤漿與石灰石添加劑攪拌混合特性影響較大。單層平直槳葉附近的流體湍動主要集中在槳葉的頂端，形成的的漩渦區域比較小，攪拌效果較差；雙層45°折葉渦輪槳形成軸向流動明顯，整體上看形成的漩渦區域不明顯，混合效果一般；雙層平直槳葉-45°折葉渦輪槳葉組合槳產生的上下不同流型相互作用，可以使攪拌槽內的流體充分混合，出口截面上示蹤劑體積分數的最大波動幅度為1.24%，意味著煤漿與石灰石添加劑已經混合均勻，說明平直槳葉-45°折葉渦輪槳葉這種槳型組合的綜合性能優于另外兩種槳型組合，對新型煤漿攪拌槽的開發與設計具有一定的指導意義。