桶外攪拌混合器攪拌流場仿真分析

夏國正　宋紅攀　郭明超

摘 要：通過對比攪拌容器的不同直徑、不同的槳葉結(jié)構(gòu)以及攪拌轉(zhuǎn)速等參數(shù)，利用多相流模型進(jìn)行攪拌器內(nèi)部流場仿真分析，以獲得并優(yōu)化攪拌混合器的攪拌效果，為設(shè)備設(shè)計(jì)及操作提供參考。結(jié)果表明，桶徑選取900 mm、攪拌轉(zhuǎn)速140～150 r/min;槳葉選用S型混合結(jié)構(gòu)，且直槳段及S槳段選用適宜的傾角可兼顧排出性能、剪切性能、混合性能，并有較低的最高液面高度及較優(yōu)的攪拌效果;隨著下料速度的增加，水泥的混合性能會逐漸變差。

關(guān)鍵詞：桶外攪拌混合器;多相流;攪拌槳;攪拌流場仿真

中圖分類號：TL941? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0032-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.009

0? ? 引言

桶外攪拌混合器是核設(shè)施中利用桶外水泥固化技術(shù)處理低、中放廢液的核心設(shè)備，其工作原理是將水泥及干粉添加劑與料液在攪拌器內(nèi)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笤賹⑺酀{排出，裝入固化桶內(nèi)進(jìn)行固化及養(yǎng)護(hù)處理[1]。

本文對某工程中使用的400 L攪拌混合器的攪拌過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了攪拌容器直徑、攪拌槳葉結(jié)構(gòu)及尺寸、攪拌轉(zhuǎn)速等影響攪拌器內(nèi)部流場的因素，從而進(jìn)行攪拌混合器結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化。

1? ? 流動控制物理模型

水泥干粉與料液攪拌的使用工況涉及兩相和三相計(jì)算（忽略攪拌過程中水泥與水的化學(xué)反應(yīng)對攪拌流場的影響），在工程中采用的多相流模型主要包括VoF（Volume of Fluid）模型、混合（Mixture）模型、歐拉（Eulerian）模型等[2]。VoF模型主要用來模擬自由液面問題;混合模型是一種簡化的兩（多）相流模型，它使用單流體方法來模擬各相有不同速度的兩（多）相流;歐拉模型將連續(xù)相與分散相視為連續(xù)的一體，對每一相都建立動量方程和連續(xù)性方程，通過壓力和相間交換系數(shù)的耦合來計(jì)算求解[3-4]。

三相計(jì)算的水泥顆粒體積分?jǐn)?shù)較大，計(jì)算量較大，選取混合模型作為多相流模型，既能保證對攪拌器流場的準(zhǔn)確分辨，又能提高計(jì)算效率。

2? ? 數(shù)值模擬

攪拌流場涉及空氣—料液—水泥顆粒組成的三相，對于不同槳型特定工況下的流場運(yùn)動特性對比，可簡化為兩相流處理，以提高效率;對于瞬態(tài)工況、轉(zhuǎn)速優(yōu)化分析等部分，研究目標(biāo)為固體顆粒的相關(guān)特征，無法忽略氣液兩相對固態(tài)的影響，此時(shí)采用混合模型計(jì)算氣體、液體和固體顆粒的物理特征。

2.1? ? 幾何建模

選取不同槳葉模型進(jìn)行對比計(jì)算，如圖1所示，簡化設(shè)備局部結(jié)構(gòu)，可以得到計(jì)算域的完整模型。

2.2? ? 網(wǎng)格劃分

多重參考系（Multiple Reference Frame，簡稱MRF）法適用于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，對非穩(wěn)態(tài)流場也能得到良好的模擬結(jié)果。攪拌器內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可使用MRF法進(jìn)行處理。將攪拌器內(nèi)部流場分為兩個區(qū)域：（1）攪拌槳及其周圍區(qū)域?yàn)閯訁^(qū)域，包含高速運(yùn)動的攪拌器及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)定動區(qū)域內(nèi)的流體速度和攪拌槳轉(zhuǎn)速相同;（2）靜區(qū)域部分為攪拌器內(nèi)部計(jì)算域減動區(qū)域，處于靜止坐標(biāo)系。

靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用帶邊界層的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。網(wǎng)格模型如圖2所示。計(jì)算域主體采用六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格等，充分考慮交界面網(wǎng)格密度匹配、槳葉附近區(qū)域網(wǎng)格處理以及網(wǎng)格尺度連續(xù)性。

2.3? ? 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

攪拌效果的性能評價(jià)主要圍繞攪拌的排出性能、剪切性能和混合性能三方面，具體包括：液相固含率、混合時(shí)間、攪拌功率、相同位置的徑向及軸向速度分布、剪切性能等。其中，液相固含率、混合時(shí)間是攪拌均勻性最直觀的體現(xiàn)，是相對更重要的評價(jià)指標(biāo)，其次流場的速度分布也能從流場方面體現(xiàn)攪拌器的攪拌均勻性。

3? ? 結(jié)果與討論

3.1? ? 不同槳型

以相同介質(zhì)的穩(wěn)定工況，對不同槳型（2.1節(jié)所述）的攪拌流場進(jìn)行分析。三種槳型在X=0截面的速度矢量分布如圖3所示。

分析攪拌桶同一高度截面的軸向、徑向、切向速度，得到以下結(jié)論：

（1）相同轉(zhuǎn)速下，直槳型軸向排出性能與徑向排出性能均較好，但剪切性能較弱，且液面過高，速度梯度較大，攪拌過程易引起飛濺。

（2）S型槳徑向排出性能較強(qiáng)，軸向排出性能弱，且軸心位置料分布少，容易出現(xiàn)混合不均勻現(xiàn)象，影響混合性能。

（3）S混合型槳軸向排出性能較強(qiáng)，徑向排出性能較弱，但剪切性能較強(qiáng)。

3.2? ? 不同桶徑瞬態(tài)工況

選取S型混合槳，采用氣液固三相模型（混合模型），在特定攪拌轉(zhuǎn)速下對攪拌桶直徑分別為850 mm、900 mm、950 mm時(shí)的攪拌性能參數(shù)和流場分布情況進(jìn)行分析。

對比不同桶徑攪拌器模型在相同的混合時(shí)間內(nèi)達(dá)到的均勻程度，判斷桶徑的選取。選取Y=0截面，高度分別為300 mm和600 mm，距離軸心距離分別為0、0.5r、0.9r的6個監(jiān)測點(diǎn)，如圖4所示，監(jiān)測各點(diǎn)的樹脂體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，樹脂占料液的體積分?jǐn)?shù)變化如圖5所示。

隨著攪拌時(shí)間的推進(jìn)，樹脂在三種攪拌器中的變化趨勢相近;由于攪拌導(dǎo)致空氣的混入，樹脂的體積分?jǐn)?shù)有一定減小。從圖5中樹脂在料液中的體積分?jǐn)?shù)變化可知，6個監(jiān)測點(diǎn)樹脂占料液的體積分?jǐn)?shù)變化上限和下限的差別為0.02%左右，可見樹脂在料液中的均勻性沒有隨著料液加入水泥后整體物性的變化而受到過多影響，不同位置的體積分?jǐn)?shù)相差不大，樹脂還是均勻分布在料液之中。隨著攪拌桶直徑的增大，模型的自由液面逐漸降低。5D75C0B2-D069-4725-8631-2297753DD30B

3.3? ? 攪拌速度分析

選取S型混合槳，針對不同轉(zhuǎn)速下水泥下料后到攪拌均勻狀態(tài)，開展空氣—水泥—料液三相數(shù)值模擬，分析判斷轉(zhuǎn)速對攪混均勻性的影響。以水泥加入后在液面上的落點(diǎn)區(qū)域作為初始分布。

選取Y=0截面，高度分別為200 mm、500 mm、800 mm，距離軸心距離分別為0、0.5r、0.95r的9個監(jiān)測點(diǎn)，如圖6所示，監(jiān)測水泥體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化。

選取攪拌75 s后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比不同轉(zhuǎn)速下攪拌流場內(nèi)不同監(jiān)測點(diǎn)的水泥體積分?jǐn)?shù)差別。Y=0截面水泥體積分?jǐn)?shù)分布如圖7所示。

結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速越大，攪拌越能快速趨近均勻狀態(tài);攪拌75 s后，9個監(jiān)測點(diǎn)的水泥體積分?jǐn)?shù)趨近;轉(zhuǎn)速增加有助于攪混效率的提高，但轉(zhuǎn)速較高時(shí)（170 r/min、200 r/min），液面位置較高（分別達(dá)到1.15 m和1.19 m），容易造成飛濺。綜合考慮攪拌混合均勻性、攪拌液面高度等因素，攪拌槳轉(zhuǎn)速在140～150 r/min可較好地匹配下料與攪拌，且不會造成攪拌過程的飛濺。

3.4? ? 槳型角度參數(shù)的影響

在S型混合槳的基礎(chǔ)上，分析直槳段、S槳段不同角度值下的攪拌性能參數(shù)和流場分布情況，槳葉兩部分傾角示意圖如圖8所示，各槳在已有模型的基礎(chǔ)上對直槳段及S槳段型傾角進(jìn)行調(diào)整，如表1所示。

圖9為各槳葉在X=0截面處速度矢量圖，從軸向、徑向、切向速度的變化趨勢分析兩段槳葉的傾斜角度對攪拌流場的影響：

（1）軸向速度：直槳段下壓之后，直槳段的斜率增大，攪拌過程中對泥漿軸向的沖擊增加;S段斜度可較好地對徑向及軸向速度進(jìn)行分配，斜度過大或過小均會降低攪拌槳排出性能;攪拌槳軸向排出性能受S槳段影響較大，攪拌槳軸向排出性能與攪拌槳角度之間存在最佳角度使軸向排出性能最好。

（2）徑向速度：直槳段角度減小，攪拌過程中徑向作用力增加，從而使徑向速度增加;S段角度增加使攪拌槳與泥漿徑向接觸面積增大，攪拌過程中徑向作用力增加，從而使徑向速度增加。S槳段上抬+直槳段下壓，最大限度地增加了攪拌槳與泥漿的徑向接觸面積，從而使攪拌過程中徑向速度最大。綜合分析，攪拌槳徑向排出性能受S槳段角度影響較大，攪拌槳徑向排出性能隨著攪拌槳角度增大而呈逐漸增大趨勢。

（3）切向速度：直槳上抬后角度增大，攪拌過程易出現(xiàn)渦流，直槳段下壓后剪切角變小，剪切力下降;S槳段傾角過大會造成渦流，剪切角減小則剪切力下降。

4? ? 結(jié)論

此文應(yīng)用FLUENT軟件，針對桶徑參數(shù)、槳葉結(jié)構(gòu)及選型、攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行下料過程仿真研究，主要結(jié)論如下：

（1）關(guān)于桶徑：相同轉(zhuǎn)速下，攪拌桶直徑越大，自由液面越低;各桶徑下，固相在料液中的體積分?jǐn)?shù)占比相差不大。

（2）關(guān)于轉(zhuǎn)速：隨著轉(zhuǎn)速增加，各點(diǎn)水泥體積分?jǐn)?shù)與平均值間的差距逐漸縮小，轉(zhuǎn)速越高，攪拌器內(nèi)流場越能快速趨近攪混均勻;轉(zhuǎn)速增加有助于攪混效率的提高，但轉(zhuǎn)速過高，液面位置較高，容易造成攪拌過程中的飛濺。

綜合混合性能、液面高度等因素，桶徑選取900 mm，攪拌轉(zhuǎn)速為140～150 r/min。

（3）關(guān)于槳型：直槳槳型的排出性能較好，但剪切性能差;S型槳徑向排出性能較強(qiáng)，軸向排出性能弱，且軸心位置料分布少，容易出現(xiàn)混合不均勻現(xiàn)象，影響混合性能;S型混合槳軸向排出性能較強(qiáng)，徑向排出性能較弱，剪切性能較強(qiáng)。

（4）關(guān)于槳型傾角：攪拌槳軸向排出性能受S槳段角度影響較大，軸向排出性能隨攪拌槳角度增加，先增加后減小;攪拌槳徑向排出性能受S槳段角度影響較大，徑向排出性能隨著攪拌槳角度增大而逐漸增大;攪拌槳剪切性能受直槳段角度影響較大，攪拌槳剪切性能與攪拌槳角度存在最佳角度使攪拌槳剪切性能最好。

綜合以上，丙C型槳葉可綜合兼顧排出性能、剪切性能、混合性能及液面高度，為較優(yōu)的槳型選擇。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉國彪，劉天斌，石兵.新型桶外混合器的理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].核標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量與質(zhì)量，2012（3）：46-54.

[2] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[3] 密路祥，徐立軍，胡兵.基于Fluent的水電解槽電場數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（21）：8883-8888.

[4] 周俊杰，徐國權(quán)，張華俊.FLUENT工程技術(shù)與實(shí)例分析[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

收稿日期：2022-03-21

作者簡介：夏國正（1985—），男，江西上饒人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：核化工非標(biāo)機(jī)械設(shè)備。5D75C0B2-D069-4725-8631-2297753DD30B