雙層改進型Inter-Mig槳對帶內盤管攪拌釜內流場性能影響

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(1.南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816；2.國家化工設備監督檢測中心， 江蘇 張家港 215600)

攪拌設備使用歷史悠久，已被大量應用于石油、化工、醫藥、食品、采礦、造紙、涂料、冶金及廢水處理等行業中。對于需要使用內盤管的攪拌釜，多數研究集中于攪拌釜的整體傳熱性能，對流場情況研究較少。由于攪拌釜難以進行放大設計[1]，可以直接測量的只有軸扭矩等參數，現有的粒子圖像測速(PIV)等要求透明的觀測手段無法應用到內盤管攪拌釜[2]，因此難以預測其內部流場情況。流體計算動力學(CFD)提供了直觀、可靠的設計方法，可以對攪拌釜內流體的流場、速度場、壓力場和溫度場等進行模擬，同時可以計算軸扭矩等力學參數，可為攪拌釜的整體設計提供重要參考[3]。石亞超等[4]使用Fluent軟件對六圓盤渦輪攪拌器的軸扭矩及攪拌功率進行模擬與實驗對比，發現模擬值和實驗值有很好的跟隨性。畢紀葛等[5]在內盤管傳熱研究中使用扭矩判據，獲得了可靠的溫度場分布。張本賀等[6]研究了四斜葉攪拌槳在內盤管硝化反應槽內的速度分布，認為雙層乃至多層槳葉可以增強混合及傳熱效果。但是目前對帶內盤管攪拌釜內的流場并沒有進一步的研究。

文中研究的改進型Inter-Mig槳是一種多段逆流攪拌槳，適用于低、中黏度的液體混合，固體顆粒懸浮，液-液分散和傳熱等過程，特別適合于過渡湍流區域的操作[7]。付勤民等[8]通過PIV研究了雙層Inter-Mig槳在攪拌釜內的流場流型。盧源等[9]通過褪色法和大渦模擬對種分槽內的Inter-Mig槳進行研究，發現槽底是混合困難區域。ZHAO Hong-liang等[10]通過實驗和CFD模擬對比了固液懸浮攪拌槽在Inter-Mig槳下的流場，并通過功率判據得到了顆粒懸浮的臨界攪拌速度。周勇軍等[11]對雙層Inter-Mig槳在內盤管攪拌的傳熱過程進行研究，認為流場對溫度場存在影響。對于在帶內盤管攪拌釜內的雙層改進型Inter-Mig槳，其槳間距和離底高度對流場的作用尚不明確，文中對此進行研究。

1 帶內盤管攪拌釜內流場性能實驗研究

1.1 幾何模型

實驗采用標準橢圓封頭的不銹鋼反應釜，其直徑D=500 mm，高度H=750 mm，液面高度h=600 mm。內盤管為不銹鋼管，盤管公稱直徑330 mm、管徑20 mm、壁厚2 mm、螺距50 mm，盤管距離攪拌釜釜體底部200 mm。槳葉正交排列，取下層槳葉的離底高度為C1、兩槳葉的間距為C2。采用全擋板條件，擋板寬度WB=40 mm。攪拌釜釜體幾何模型及尺寸見圖1，槳葉幾何模型及尺寸見圖2。

圖1 攪拌釜釜體幾何模型及尺寸

圖2 攪拌槳葉幾何模型及尺寸

1.2 測試裝置

攪拌釜內流場性能實驗測試裝置見圖3。裝置中的攪拌軸由三相異步電機提供動力，轉速通過攪拌測試平臺控制。升降平臺由升程為0.6 m的液壓裝置進行自動升降。采用的扭矩儀為北京博銳創公司生產的BRC-8202系列產品，其響應頻率為100 μs，量程為10 N·m，精度為0.02 N·m，支持正反轉操作。

1.扭矩測試儀 2.升降平臺 3.電機 4.測試平臺圖3 攪拌釜內流場性能實驗測試裝置

1.3 實驗方法

采用水作為實驗工作介質，取溫度為323 K時水的物性，此時水的密度ρ=988.1 kg/m3，運動黏度ν=5.56×10-7m2/s，動力黏度η=5.494×10-4Pa·s。

實驗時在攪拌釜內注水至液位h=600 mm，調整好槳葉間距C2值后將下槳葉降至C1處，控制攪拌軸轉速，待攪拌軸上扭矩測試儀的輸出值穩定后記錄數據。之后改變槳葉間距和離底高度，重復實驗并記錄數據。在限定攪拌槳葉結構的情況下，攪拌功率準數Np的表達式為[12]：

(1)

其中

P=Mω=2πNM

(2)

式中，P為攪拌軸功率，W；N為攪拌轉速，ω為攪拌槳葉角速度，r/min；d為攪拌槳直徑，m；M為攪拌軸扭矩，N·m。

攪拌槳葉壓力梯度產生的力矩為M1，切應力產生的力矩為M2，則攪拌軸總扭矩為：

M=M1+M2

(3)

在工作介質密度、槳葉轉速及槳葉直徑已知的情況下，只需精確測量出攪拌軸的扭矩，即可得到攪拌軸功率的精確值。

2 帶內盤管攪拌釜內流場性能數值模擬

2.1 計算模型建立及網格劃分

攪拌釜內流場復雜，采用FLUENT軟件非結構化網格進行有限元計算比較合適，故使用gambit進行建模。

對擋板作簡化設置，采用1個厚度為0的面代替擋板。因盤管端部大部分與擋板重合，初步的模擬也發現其對流場影響有限，故予以簡化處理。為了提高槳葉區網格質量，對攪拌槳葉及攪拌軸進行網格細化。內盤管處流場相對復雜，在對其面網格細化的基礎上進行邊界層網格的處理[13]。

綜合考慮計算機運算能力，最終確定攪拌釜所有模型的網格數均在600 000左右，網格無關性驗證結果滿足精度要求。攪拌釜計算模型及網格劃分見圖4。

2.2 邊界條件與求解策略

采用滑移網格模型對目標工況進行數值模擬，以得到較為精確的解。動區域為旋轉運動，法向為軸的正方向，靜區域流體默認為靜止。交界面設置為內部面，槳葉以及攪拌軸設置為運動壁面，跟隨運動區域旋轉，相對速度為0。液面處無切向力，法向速度為0，設置為對稱邊界。其他壁面均設置為靜止壁面。

圖4 攪拌釜計算模型及網格劃分

采用三維壓力基準求解器，湍流模型采用標準k-ε雙方差模型。環境壓力為101 325 Pa，重力加速度為9.81 m/s2。壓力速度耦合采用simple算法，殘差收斂精度0.000 1。同時監測槳葉、攪拌軸的扭矩，并作為判斷收斂依據。

3 帶內盤管攪拌釜釜內流場性能分析

3.1 攪拌軸扭矩

3.1.1結果比較

通過實驗和數值模擬測量了不同離底高度(C1分別為0.2D、0.3D、0.4D、0.5D)、槳葉間距(C2分別為0.3D、0.4D、0.5D)及轉速下攪拌軸的扭矩，進而換算出各工況下的攪拌軸功率。離底高度和槳葉間距相同而轉速不同工況下實驗和數值模擬得到的攪拌軸扭矩及功率見表1。

表1 離底高度和槳葉間距相同而轉速不同工況下攪拌軸扭矩及功率

比較表1中所列的各參數結果可以發現，實驗測得的攪拌軸功率總體上大于數值模擬結果，平均誤差在20%以內。隨著轉速的增大，實驗結果與數值模擬結果誤差呈現減小的趨勢，最小誤差接近10%。

轉速固定為120 r/min，離底高度、槳葉間距不同時數值模擬得到的攪拌軸功率見表2。

表2 不同使用位置攪拌軸功率數值模擬結果 W

從表2中所列的數值模擬結果可以看出，離底高度及槳葉間距對攪拌軸功率影響有限，在離底高度較低和槳間距較近時，功耗隨著離底高度或槳葉間距的增加而增大。而隨著兩者之和的逐漸增大，槳葉被內加熱盤管包圍，在內盤管的影響下攪拌釜內流場宏觀射流加強，局部湍動能耗散較少，功率消耗略微減少。

3.1.2誤差分析

對實驗與數值模擬過程進行分析認為，出現誤差的原因主要有以下幾點。

(1)扭矩儀的信號是經放大處理后傳回顯示儀表的，受扭矩儀本身結構的影響，只有在10%～80%量程區間才能獲得較高精度的結果，使得在較低扭矩范圍內測量誤差較大。

(2)在實驗過程以及工業應用中，攪拌軸的對中及振動等不可避免存在一些誤差，會增加實驗流場湍動程度，使得攪拌軸功率實驗值偏大。而在FLUENT軟件中無法將這些因素考慮在內。

(3)為了提高網格精度，數值模擬中對目標幾何模型進行了適當優化，建立的模型幾何尺寸精度都很高，使得模擬對象較理想化。但實驗中槳葉以及內盤管的加工精度會對結果產生影響。

在誤差范圍基本可以預測的情況下，文中實驗方法能夠滿足工程研究的需求。

3.2 功率準數

采用標準k-ε湍流模型對實驗測定得到的攪拌功率進行數值模擬，進而換算出改進型Inter-Mig槳在帶內盤管攪拌釜中的功率準數變化關系曲線，見圖5。

從圖5可知，實驗測定和數值模擬所得的帶內盤管攪拌釜功率準數曲線變化趨勢和無盤管時的基本一致，實驗值略高于模擬值。在內盤管的影響下，攪拌釜內液體湍動程度比較劇烈，實驗和數值模擬趨勢一致，都較早進入了湍流階段，湍流階段攪拌功率準數分別在1.2和1.0附近。

圖5 改進型Inter-Mig槳在攪拌釜中功率準數曲線

3.3 釜內流場影響因素

3.3.1離底高度

不同于常規推進式槳葉，改進型Inter-Mig槳作為底層槳葉時釜底軸向會形成1個明顯的逆向噴射狀流場。外圍流體向下運動，中間流體向上運動，在槳葉尖端外圍附近形成1個明顯的旋渦，內段與外段交界點處的旋渦尤為明顯。

改進型Inter-Mig槳攪拌釜釜底流場速度分布見圖6。

圖6 改進型Inter-Mig槳攪拌釜釜底流場速度分布

C2=0.4D而槳葉離底高度不同時攪拌釜釜底湍動強度見圖7。

比較圖7可以看出，改進型Inter-Mig槳作為底層槳葉時，釜底湍動能主要集中在攪拌槳尖端，并沿著徑向急劇減小，而軸線方向上湍動能耗散幅度相對比較緩和，這種規律在圖7d中最為明顯。隨著底層槳葉的升高，釜底湍動程度明顯減弱。當C1大于0.3D時攪拌釜釜底出現了大面積的層流區，可以認為此時內盤管并不能有效改善攪拌釜釜底區域的混合困難現象[9]。

3.3.2槳葉間距

固定離底高度(C1=0.3D)，對槳葉間距C2分別為0.3D、0.4D、0.5D時攪拌釜內槳葉層間流場進行研究。

圖7 C2=0.4D而槳葉離底高度不同時攪拌釜釜底湍動強度

不同槳葉間距時攪拌釜內槳葉層間流場速度矢量見圖8～圖10。

圖8 C1=0.3D、C2=0.3D時攪拌釜內槳葉層間流場速度矢量

分析圖8～圖10可知，當層間距C2小于0.4D時，槳葉間出現了2股很強的總體循環流，在槳葉內外段分界點到攪拌軸區域內形成較小的旋渦，在分界點到壁面處形成了以內盤管為中心的更大循環流。層間距大于0.4D時，槳葉周圍的湍動完全孤立，各自形成了明顯的徑向流。由于槳葉周圍產生了強烈湍動的剪切流，湍動能耗散較大，勢必引起攪拌功率的增加。當離底高度C1增加到0.4D時，在內盤管的導流作用下，即使層間距C2增加到0.5D，上述規律依然很明顯。這也充分印證了內盤管在攪拌釜中可以發揮一定的導流作用[14-15]。C1=0.4D、C2=0.5D時帶內盤管攪拌釜內流場見圖11。

圖9 C1=0.3D、C2=0.4D時攪拌釜內槳葉層間流場速度矢量

圖10 C1=0.3D、C2=0.5D時攪拌釜內槳葉層間流場速度矢量

圖11 C1=0.4D、C2=0.5D時帶內盤管攪拌釜內流場

4 結論

(1)內盤管的使用并未顯著影響攪拌釜釜內過渡流區域的攪拌功率準數，但可以降低湍流臨界點對應的雷諾數，使湍流提前產生。

(2)改進型Inter-Mig槳攪拌功率的模擬值和實驗值有很強的跟隨性，可以將攪拌軸扭矩作為模擬流場穩定的收斂判據。

(3)使用內盤管的攪拌釜內，改變改進型Inter-Mig槳的離底高度并不會有明顯的流場變化，但改變層間距會顯著增加湍動程度，起到導流的作用。