六折葉槳攪拌槽流場特性分析*

羅 松，周啟興，陳紫微，彭明明

（南昌交通學院，江西 南昌 330000）

拌攪設備廣泛應用于冶金、食品、生物制藥、灌裝、建筑等行業(yè)[1-4]，通過攪拌可加速介質混合與溶解，防止介質沉淀，其混合過程包含物質傳遞以及化學反應。作為裝置中主要部件的攪拌槳起到向介質提供能量的作用，因此，槳葉結構形狀就決定它所產(chǎn)生的流場特性和攪拌槽的混合效果。隨著流體計算軟件技術的發(fā)展應用，通過仿真方法來研究內(nèi)部介質流場特性是目前常用方法之一。周勝等[5]對六平直葉圓盤攪拌槽進行研究，發(fā)現(xiàn)物料性質（密度、顆粒直徑）改變將會影響臨界懸浮轉速以及攪拌功率。林偉振等[6]關于改進型INTER-MIG槳葉直徑對尾渦的影響進行了研究。熊一民等[7]對6種常見攪拌器采用CFD方法進行研究，發(fā)現(xiàn)斜葉式的排出流量準數(shù)始終高于直葉式。項目組利用計算流體動力學方法（Computational fluid dynamics，CFD）對六折葉槳（PBT-6）在不同折葉角度下所產(chǎn)生的流場流型特點進行分析研究。

1 攪拌槽模型與網(wǎng)格

1.1 攪拌裝置物理結構

計算采用的六折葉槳攪拌槽模型結構，混合槽內(nèi)徑O=350 mm，整體高度H=400 mm，內(nèi)部介質液位高度h=320 mm，六折葉槳直徑d1=180 mm，葉片寬度db=40 mm，厚度T1=5 mm，折葉角度θ=30°～60°（30°、40°、50°、60°），葉片距離槽底120 mm，中間轉軸直徑d2=20 mm，葉片轉速120 r/min。槽體內(nèi)部包含4塊擋板，擋板寬度B=50 mm，厚度T2=2.5 mm，距離槽體底部距離60 mm。整體結構示意圖如圖1所示。

圖1 混合槽整體結構示意圖Fig.1 Overall structure diagram of mixing tank

1.2 數(shù)學模型

仿真模型計算求解需包含控制方程，且滿足質量、能量、動量三大基本守恒定律。

1）質量守恒方程[8-9]為：

式中，τxx、τxy和τxz為粘性應力，F(xiàn)x、Fy、Fz為微單元上體力。

1.3 網(wǎng)格劃分

混合槽采用非結構化網(wǎng)格進行劃分，同時，結合葉片結構特點對葉片周圍旋轉區(qū)域采用低增長率網(wǎng)格加密來提高周圍流域計算精度，對外部流場擴散區(qū)域采用較高增長率網(wǎng)格劃分來提高計算速度。整體網(wǎng)格劃分結果，如圖2所示。

圖2 混合槽整體網(wǎng)格劃分結果Fig.2 Overall mesh generation of mixed tanks

2 計算結果與分析

2.1 速度矢量分析

攪拌混合過程主要是利用電機帶動槳葉旋轉，通過葉片旋轉帶動周圍介質運動來促進介質間的相互傳遞運動，最終使混合槽產(chǎn)生有一定運動規(guī)律的流場。作為獲得流場信息之一的速度矢量圖可以較為直觀展現(xiàn)流場特點。

項目組過z軸選取一鉛垂面且與x、y軸夾角呈45°的平面作為觀察面，如圖3所示。通過對該截面上的速度矢量分析發(fā)現(xiàn)六折葉槳有非常明顯的軸向排液特點，在槳葉下方形成一個循環(huán)渦環(huán)。從圖3（a）可以看出其在整槽內(nèi)部形成一個較大的環(huán)形流域，通過對比圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）發(fā)現(xiàn)循環(huán)強度隨著葉片角度增加而逐漸加強，但同時徑向排液也逐步加強。而徑向排液加強表明攪拌槳的剪切破碎能力有所提高，有利于顆粒溶解類介質的攪拌混合；由于徑向分流作用從而使整槽介質循環(huán)流動發(fā)生相對減弱，不利于整槽介質傳遞。

圖3 不同角度下截面處速度矢量圖Fig.3 Velocity vector diagram of cross section at different angles

通過粒子軌跡追蹤方法，可以更為直觀地看出介質在槽內(nèi)的連續(xù)循環(huán)流動過程，如圖4所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，介質流體首先在葉片旋轉推動作用下進行加速，同時受軸向排液作用影響向下運動到槽底，然后貼著桶壁向上運動到達液面后在軸向流排液作用下進入到軸向排液循環(huán)中。在槳葉上下方連貫形成大渦環(huán)，這與截面上所看到的速度矢量運動規(guī)律保持一致。

圖4 粒子追蹤矢量圖Fig.4 Particle tracking vector graph

2.2 湍流動能分析

湍流動能是衡量攪拌槳混合能力的性能指標之一，其強度大小主要受介質流動速度影響，且與介質流速成正比，速度越高其具有的湍流動能就越大，混合能力也相對要強一些。仿真計算時，通過在槽內(nèi)選取平行z軸的一條直線作為監(jiān)測線，讀取線上數(shù)據(jù)，得到不同角度下湍流動能分布，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著角度增加槳葉徑向排液能力加大，湍流動能也逐漸升高，由于槳葉推動力直接作用在其周圍介質流體上，因此，湍流動能也主要集中分布在葉片周圍區(qū)域，越靠近槳葉其波動峰值就越高，湍流動能也就越大。而在靠近液面區(qū)，由于葉片推力作用減弱以及介質自重影響，其速度減弱，導致湍流強度也逐漸降低。

圖5 不同角度下湍流動能Fig.5 Turbulent kinetic energy at different angles

2.3 功率分析

攪拌功率是評價系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，其計算的主要目的是用于攪拌裝置設計、槳葉強度校核、減速裝置設計以及電機選型等。項目組通過Fluent軟件中的report功能可以讀取出計算過程中攪拌葉片上需要的扭矩與功率的大小。通過軟件仿真計算的結果一般要小于實際消耗功率，這主要是由于計算結果僅包含葉片上功率，實際計算校核時應根據(jù)所選裝置類型以及具體結構乘以一定系數(shù)。由于本文僅研究葉片角度影響規(guī)律，對其具體驅動結構不進行分析研究。得到的不同折葉角度下攪拌槳功率，如圖6所示。從圖中可以看出，攪拌功率基本與夾角成正比例關系增長，這主要是隨著夾角增大葉片上受到的剪切應力增加，槳葉單位面積上排液量增加，最終導致功率上升。

圖6 角度-功率曲線Fig.6 Angle and power curve

3 結論

項目組通過采用CFD方法對不同角度下六折葉槳產(chǎn)生的流場與功率進行了分析比較，得出以下結論：

1）六折葉槳主要以軸向排液為主，但隨著葉片夾角增大，徑向排液逐漸加強。當葉片夾角較小時，槳葉周圍產(chǎn)生的渦環(huán)較大，隨著槳葉夾角增大，渦環(huán)大小有所減小，但循環(huán)強度得到提高；

2）湍流動能隨角度增加而增大，對于有破碎需求的攪拌混合，可適當增加攪拌槳角度；

3）由于功率與夾角存在正比例關系，對剪切破碎要求不高的場合，葉片角度選取不應太大，以起到降低功率、減少能耗的作用。