六折葉槳攪拌槽流場(chǎng)特性分析*

羅 松，周啟興，陳紫微，彭明明

（南昌交通學(xué)院，江西 南昌 330000）

拌攪設(shè)備廣泛應(yīng)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(zhì)混合與溶解，防止介質(zhì)沉淀，其混合過程包含物質(zhì)傳遞以及化學(xué)反應(yīng)。作為裝置中主要部件的攪拌槳起到向介質(zhì)提供能量的作用，因此，槳葉結(jié)構(gòu)形狀就決定它所產(chǎn)生的流場(chǎng)特性和攪拌槽的混合效果。隨著流體計(jì)算軟件技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，通過仿真方法來研究?jī)?nèi)部介質(zhì)流場(chǎng)特性是目前常用方法之一。周勝等[5]對(duì)六平直葉圓盤攪拌槽進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)物料性質(zhì)（密度、顆粒直徑）改變將會(huì)影響臨界懸浮轉(zhuǎn)速以及攪拌功率。林偉振等[6]關(guān)于改進(jìn)型INTER-MIG槳葉直徑對(duì)尾渦的影響進(jìn)行了研究。熊一民等[7]對(duì)6種常見攪拌器采用CFD方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)斜葉式的排出流量準(zhǔn)數(shù)始終高于直葉式。項(xiàng)目組利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（Computational fluid dynamics，CFD）對(duì)六折葉槳（PBT-6）在不同折葉角度下所產(chǎn)生的流場(chǎng)流型特點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

1 攪拌槽模型與網(wǎng)格

1.1 攪拌裝置物理結(jié)構(gòu)

計(jì)算采用的六折葉槳攪拌槽模型結(jié)構(gòu)，混合槽內(nèi)徑O=350 mm，整體高度H=400 mm，內(nèi)部介質(zhì)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(zhuǎn)軸直徑d2=20 mm，葉片轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 混合槽整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure diagram of mixing tank

1.2 數(shù)學(xué)模型

仿真模型計(jì)算求解需包含控制方程，且滿足質(zhì)量、能量、動(dòng)量三大基本守恒定律。

1）質(zhì)量守恒方程[8-9]為：

式中，τxx、τxy和τxz為粘性應(yīng)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)，結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)葉片周圍旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用低增長(zhǎng)率網(wǎng)格加密來提高周圍流域計(jì)算精度，對(duì)外部流場(chǎng)擴(kuò)散區(qū)域采用較高增長(zhǎng)率網(wǎng)格劃分來提高計(jì)算速度。整體網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖2所示。

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

2 計(jì)算結(jié)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(jī)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，通過葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周圍介質(zhì)運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)介質(zhì)間的相互傳遞運(yùn)動(dòng)，最終使混合槽產(chǎn)生有一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的流場(chǎng)。作為獲得流場(chǎng)信息之一的速度矢量圖可以較為直觀展現(xiàn)流場(chǎng)特點(diǎn)。

項(xiàng)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(duì)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(diǎn)，在槳葉下方形成一個(gè)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(gè)較大的環(huán)形流域，通過對(duì)比圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）發(fā)現(xiàn)循環(huán)強(qiáng)度隨著葉片角度增加而逐漸加強(qiáng)，但同時(shí)徑向排液也逐步加強(qiáng)。而徑向排液加強(qiáng)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(zhì)的攪拌混合；由于徑向分流作用從而使整槽介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)發(fā)生相對(duì)減弱，不利于整槽介質(zhì)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(zhì)在槽內(nèi)的連續(xù)循環(huán)流動(dòng)過程，如圖4所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)流體首先在葉片旋轉(zhuǎn)推動(dòng)作用下進(jìn)行加速，同時(shí)受軸向排液作用影響向下運(yùn)動(dòng)到槽底，然后貼著桶壁向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)液面后在軸向流排液作用下進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)能分析

湍流動(dòng)能是衡量攪拌槳混合能力的性能指標(biāo)之一，其強(qiáng)度大小主要受介質(zhì)流動(dòng)速度影響，且與介質(zhì)流速成正比，速度越高其具有的湍流動(dòng)能就越大，混合能力也相對(duì)要強(qiáng)一些。仿真計(jì)算時(shí)，通過在槽內(nèi)選取平行z軸的一條直線作為監(jiān)測(cè)線，讀取線上數(shù)據(jù)，得到不同角度下湍流動(dòng)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(dòng)能也逐漸升高，由于槳葉推動(dòng)力直接作用在其周圍介質(zhì)流體上，因此，湍流動(dòng)能也主要集中分布在葉片周圍區(qū)域，越靠近槳葉其波動(dòng)峰值就越高，湍流動(dòng)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(zhì)自重影響，其速度減弱，導(dǎo)致湍流強(qiáng)度也逐漸降低。

圖5 不同角度下湍流動(dòng)能Fig.5 Turbulent kinetic energy at different angles

2.3 功率分析

攪拌功率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，其計(jì)算的主要目的是用于攪拌裝置設(shè)計(jì)、槳葉強(qiáng)度校核、減速裝置設(shè)計(jì)以及電機(jī)選型等。項(xiàng)目組通過Fluent軟件中的report功能可以讀取出計(jì)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(jì)算的結(jié)果一般要小于實(shí)際消耗功率，這主要是由于計(jì)算結(jié)果僅包含葉片上功率，實(shí)際計(jì)算校核時(shí)應(yīng)根據(jù)所選裝置類型以及具體結(jié)構(gòu)乘以一定系數(shù)。由于本文僅研究葉片角度影響規(guī)律，對(duì)其具體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不進(jìn)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(guān)系增長(zhǎng)，這主要是隨著夾角增大葉片上受到的剪切應(yīng)力增加，槳葉單位面積上排液量增加，最終導(dǎo)致功率上升。

圖6 角度-功率曲線Fig.6 Angle and power curve

3 結(jié)論

項(xiàng)目組通過采用CFD方法對(duì)不同角度下六折葉槳產(chǎn)生的流場(chǎng)與功率進(jìn)行了分析比較，得出以下結(jié)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(qiáng)。當(dāng)葉片夾角較小時(shí)，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(qiáng)度得到提高；

2）湍流動(dòng)能隨角度增加而增大，對(duì)于有破碎需求的攪拌混合，可適當(dāng)增加攪拌槳角度；

3）由于功率與夾角存在正比例關(guān)系，對(duì)剪切破碎要求不高的場(chǎng)合，葉片角度選取不應(yīng)太大，以起到降低功率、減少能耗的作用。