帶導流板的自吸式攪拌槽內流動場的數值模擬*

王 震，宋金星，白錦軍，高 勇**,李大艷，陳 慧

[1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.長慶油田(榆林)油氣有限公司，陜西 榆林 719000；3.榆林學院 外國語學院，陜西 榆林 719000]

自吸式攪拌反應器廣泛應用于生物工程、化學工程、冶金化工和污水處理等多種行業[1]，其不需要外界供給氣源，依靠槳葉的機械攪拌自行將氣體從外界吸入攪拌裝置內[2]，是一種高效節能的攪拌裝置。郝惠娣等[3-4]通過改變攪拌槽內的結構布局，在攪拌槽底設置導流板，槳葉旋轉時在攪拌槽的中心位置處會形成強有力的龍卷風狀上升液流，在槳葉的作用下沿徑向排開，碰到槽壁的阻擋時，分為上下兩股，分別沿著槽壁進行流動，達到混合物料或者流體的目的。該結構同時具有徑向流和軸向流的特點，在一些攪拌物料為高密度或高濃度固體懸浮顆粒的攪拌操作中具有很大的優勢[5]。氣體再分布器的作用主要是導向、擴壓和破碎。槳葉旋轉產生負壓將外界氣體沿氣體再分布器吸入，吸入的氣體被槳葉破碎后沿氣體再分布器的氣體分散通道排出，被二次破碎后分散在液體中[6]。國內外學者對自吸式攪拌槽也進行了廣泛的研究[6-8]。作者利用Fluent軟件對帶導流板的自吸式攪拌槽內的三維流動場進行了數值模擬分析，考察了攪拌轉速、攪拌槳安裝高度以及攪拌槳葉片數目對槽內流動場的影響。

1 建立幾何模型及劃分網格

建立的攪拌槽幾何模型見圖1。

圖1 攪拌槽幾何模型

其幾何尺寸為攪拌槽內徑D=300 mm,攪拌槽高度H=400 mm, 攪拌槳直徑d=100 mm,攪拌軸直徑d1=6.5 mm,氣體再分布器外徑Ds=190 mm,導流板高度h=25 mm, 液體液位H1=300 mm, 槳葉安裝高度L=100、120、150、180 mm。數值模擬中采用的槳葉為直葉槳(DT)。采用四面體非結構化網格進行網格劃分，為了使計算更為精確，對導流板、攪拌槳等進行了局部的網格細化[9]，直葉槳和導流板網格劃分結果見圖2。

圖2 網格劃分圖

2 設置邊界條件

槳葉、導流板、攪拌槽壁等固-液界面設置為無滑固壁邊界[10]，液面設置為自由液面[11]。

3 計算方法

數值模擬中采用基于壓力的求解器，湍流模型選取標準k-ε模型[12]。速度壓力的耦合采用SIMPLEC算法[13]。利用多重參考系法解決運動的槳葉與靜止的槽壁、導流板之間的相互作用[14]，將槳葉及其附近流體設置為旋轉區域，將槽體、氣體再分布器和導流板設置為靜止區域，在2個區域的交界面利用插值實現質量、動量和能量交換[10]，從而實現對攪拌槽內整體流動場的分析。收斂準則采用RMS準則，將質量、動量和湍流方程的收斂殘差設定為1×10-4。

4 結果與討論

4.1 攪拌轉速不同時槽內流體的數值模擬

攪拌介質為清水，攪拌槳安裝高度為150 mm，槳葉為六直葉槳(6DT)，攪拌轉速對攪拌槽混合性能的影響見圖3。

a n=200 r/min

由圖3可知，5種轉速下的攪拌槽內均出現了不同程度的旋渦，即在攪拌槳下方的左右兩側均出現了2個循環流動。流體沿徑向甩出，碰到攪拌槽壁面后，大部分流體由于重力的作用向下運動，在導流板的引導作用下，流體到達槽底后沿導流板向槽中心處流動，然后向上形成中心龍卷流，最后回到攪拌槳中心完成一個完整的循環過程。如此循環往復，就達到了充分混合的目的。速度的最大值均出現在槳葉的邊緣，攪拌槽內除了氣體再分布器外側的部分流體速度較小，整體速度分布較為均勻，混合效果較好。

攪拌功率隨攪拌轉速的變化曲線見圖4。

由圖4可知，攪拌功率隨攪拌轉速的增大呈指數形式逐漸增大。隨著攪拌轉速的增大，在槳葉、氣體再分布器和槽底導流板的相互作用下，大量氣體被持續吸入攪拌槽內，被槳葉和氣體再分布器破碎為小氣泡，在6DT槳葉背后會形成較大尺寸的氣穴，且流體在和6DT槳碰撞時受到的阻力較大，功耗較高。

4.2 攪拌槳安裝高度不同時槽內流體的數值模擬

攪拌介質為清水，n=400 r/min，攪拌槳安裝高度對攪拌槽混合性能的影響見圖5。

a L=100 mm

由圖5可知，L=100 mm，攪拌槳下部的流體速度遠大于攪拌槳上部，攪拌槳下部混合效果較好，但上部混合不充分；L=120 mm，攪拌槳下部流體速度較大，有循環流動趨勢，混合較好，但氣體再分布器以上的部分流體速度變化較弱，受到的攪拌影響較小；L=150 mm，攪拌槽內的速度分布最為規律，波及范圍最廣，即混合攪拌效果最好；L=180 mm，攪拌槳以下大部分流體速度較小，明顯達不到充分混合的要求。

攪拌功率隨攪拌槳安裝高度的變化曲線見圖6。

L/mm

由圖6可知，L=150 mm，攪拌槽的軸功率最小，攪拌混合效果較好，攪拌效率較高。這是因為，攪拌槳在合適的安裝高度下，攪拌功率隨著安裝高度的增加略微減小；在不合適的安裝高度下，攪拌效果會受到影響，功率會增加[15]。

4.3 攪拌槳葉片數目不同時槽內流體的數值模擬

攪拌介質為清水，n=400 r/min，L=150 mm，槳葉為4DT槳、6DT槳和8DT槳時攪拌槽內軸截面處的速度云圖見圖7，槳葉所在平面處的湍流云圖見圖8。

a 4DT

a 4DT

由圖7、圖8可知，4DT槳旋轉時，槳葉位置處的流體流速較大，靠近圓盤處的流體流速較小，攪拌槽內存在明顯的速度梯度，混合效果不理想；隨著槳葉數目的增加，速度分布越均勻，攪拌混合效果越好，越有利于攪拌混合。槳葉為8DT槳，攪拌槽內流體的混合性能最好，湍流程度已經波及到了整個攪拌槽，因此8DT槳的攪拌混合效果最好。

5 結 論

(1)當轉速逐步增大時，攪拌功率也在逐步增大，攪拌槽內的最大速度均出現在槳葉邊緣處；

(2)當槳葉安裝高度逐步增大時，攪拌功率呈先降低再增加的趨勢，L=150 mm，攪拌功率最小，攪拌槽的攪拌混合性能最好；

(3)當槳葉數目逐步增多時，攪拌槽內流體速度分布更加均勻，湍流程度逐步增大，槳型為8DT，攪拌槽的攪拌性能最好。