成球過程中三相物料運動流場仿真

楊建興 楊 斌 許燦啟 賈永杰

（1.西安近代化學研究所；2.西北大學化工學院）

球形發射藥裝藥密度高、流散性好，可大幅提高彈藥的體積能量密度， 一直是小口徑槍、榴彈發射器及迫擊炮等輕武器的主裝發射藥［1，2］。推進劑的球形藥澆鑄工藝中的雙基球形藥，制備工藝均采用內溶法成球工藝［3～5］。內溶法成球工藝是將硝化纖維素（或吸收藥）、水、乙酸乙酯加入到成球釜內，通過攪拌漿葉的強力攪拌，物料被溶解成具有一定粘度的高分子溶液，隨之被攪拌粉碎成細小的液滴，液滴與水不相溶，在表面張力的作用下，形成球形，再通過升溫，使乙酸乙酯汽化脫溶，液滴脫溶變硬形成球形藥粒［4～10］。 整個脫溶過程氣（乙酸乙酯氣體）液（水）顆粒（雙基藥粒）三相共存，是一個三相傳質、傳熱的過程。

關于成球溫度、成球時間、攪拌轉速及溶劑比等對球形藥質量的影響已經開展了大量試驗研究，總結了相關規律［6～10］，但關于成球釜內物料的氣液固三相分布、運動流場方面的分析研究未見公開報道。 筆者采用數值模擬的方法進行了成球釜內物料的運動流場仿真，獲取了整個成球釜內的流場信息，如相分布、流線分布、流場分布和三相之間的運動規律，對成球釜內物料運動狀態的研究和成球釜的結構設計具有參考意義。

1 CFD 模型概述

1.1 成球釜內物料流場模擬假設條件

物料在攪拌器的帶動下在成球釜內連續流動，球形藥粒均勻分散在水中，熱量從壁面通過水介質快速傳遞給藥粒，使其升溫，固相藥粒中的乙酸乙酯不斷汽化脫離藥粒，通過成球釜上封頭的排氣口流出。 成球釜內料液的流動特性（如停留時間、混合效率及湍動強度等）直接決定了固相藥粒脫溶效果。

成球釜運行中釜內氣液顆粒三相共存，工質受熱升溫后固相藥粒中所含的乙酸乙酯不斷發生汽化脫溶過程。

為了簡化計算，可以忽略汽化效應，以恒定密度藥粒流入和流出成球釜過程中的運動軌跡、體積分數和溫度分布為基準，分析成球釜內攪拌器的擋板作用。

1.2 計算模型的選擇

選擇雙精度瞬態質量可傳遞歐拉多相流模型進行氣液顆粒三相的模擬， 其中基本相為液相，工質為液態水；氣相是乙酸乙酯蒸汽；顆粒相為雙組分藥粒，一半成分為乙酸乙酯，另一半成分為雙基發射藥，其中，乙酸乙酯為可揮發分組分，受熱時會從顆粒相中揮發出來，轉化為氣態乙酸乙酯。 同時，為了更精確地分析攪拌器和壁面擋流板對流場的相互作用、顆粒相的沉積和分離情況，模擬采用了滑移網格模型（一種動態網格模型）來處理攪拌器的運動。

1.3 網格劃分

模擬采用混合網格進行計算，包括攪拌器在內的動態網格部分采用多面體（足球結構）網格，如圖1a、b 所示， 外圍的靜態網格部分采用六面體網格，如圖1c 所示。

圖1 網格劃分

1.4 湍流模型

計算采用了各向異性的k-omega 湍流模型對流動的湍流現象進行模擬。 相比常用的各向同性k-epsilon 湍流模型，k-omega 模型中，湍流在各個方向的脈動不再是簡單的各向完全正比于速度大小，它考慮了不同方向速度的影響和相互耦合作用，計算結果更為準確［11～15］。

1.5 計算方法與離散格式

計算采用了相間耦合的simple 方法對全場流動換熱進行數值模擬。 時間格式采用一階隱式格式；為了保證計算能夠穩定順利進行，運動方程、能量方程、組分方程和湍流方程都采用了低階離散格式——一階迎風格式；為了盡可能地捕捉液相和氣相界面， 相體積格式采用了HRIC 離散格式，該格式能較好地捕捉氣液界面，但是仍然不能捕捉到銳利的自由液面，由于計算模型的限制，這已經是在隱式多相流模型下最好的體積離散格式。

1.6 邊界條件

邊界條件見表1。

表1 邊界條件

壁面溫度設定為70 ℃， 攪拌器旋轉速度設為300 r/min，方向為順時針方向。 顆粒相平均粒徑設為1 mm。

1.7 初始條件

對時間步長和計算時間進行選擇。 歐拉多相流計算的收斂一直是個難題，網格選用六面體和多面體，盡量不選用四面體網格；時間步長不能太長，否則計算不僅難以收斂，甚至會得到不合理的計算結果。 筆者在計算中使用六面體和多面體網格， 時間步長控制在1/10000～5/10000 s 之間，以保證每個時間步長的計算能在20 次迭代之內收斂， 也就是說每1 s 工藝時間， 要進行2 000～10 000 次時間步長的迭代。 本次仿真使用了16個至強處理器進行并行計算，計算30 s 工藝時間。

1.8 計算穩定的判斷

從前面的分析已經知道，進行全物理時間尺度的計算是不現實的，只能從假定的一個比較接近穩定狀態的初場開始進行計算，然后監控成球釜內的動態流場的變化，當流場出現規律性變化時，認為流場基本達到穩定狀態，然后在某個時刻停止計算，分析成球釜內的流場。

2 結果與討論

2.1 液相、氣相、顆粒相的三相體積比分布

氣相、液相、顆粒相的三相體積比分布云圖分別如圖2a、b、c 所示，在任意位置，三相體積比之和為1。

圖2 三相體積比分布云圖

2.2 流線分布

成球釜內整體流線分布如圖3 所示，在計算模型中產生縱截面， 讓流線從這個縱截面出發，然后觀察流線分布。

圖3 成球釜內三相物料流線分布云圖

結合三相體積比分布云圖和流線分布云圖可以看出，成球釜內大致可以分為以下3 個流動區域：

a. 第1 個流動區域位于成球釜的上部，主要是揮發出的氣態乙酸乙酯聚集在一起，主要流動呈圓周繞行趨勢，稱之為氣相區域；

b. 第2 個區域是氣相區域和液相區域的界面附近，稱之為過渡區域，該區域由于三相相互作用，流動具有一定的隨機性；

c. 第3 個流動區域位于成球釜的下部，主要成分是液相和顆粒相的混合物，夾雜微量的被裹挾的氣相物質， 該區域是筆者研究的主要區域，雖然是液相和顆粒相的混合物，但是呈現液態流動，在文中被稱為液相區域（注意與液相區分），該區域流動復雜，但是規律性較強。

氣相區域流線分布如圖4 所示。 在計算模型中產生橫截面1，讓流線從橫截面1 出發，然后觀察流線分布。 橫截面1 位于氣相區域，絕大部分流線會持續在氣相區域旋轉；接觸到液相和顆粒相后，流線跟隨液相和顆粒相進入下半部，但數量較少，絕大部分流線碰到攪拌器終止；橫截面1出發的流線顯示氣相與液相有輕微的相互作用，在液相上層會發生少量摻混。

圖4 氣相區域流線圖

過渡區域流線分布如圖5 所示。 在計算模型中產生橫截面2，讓流線從橫截面2 出發，然后觀察流線分布。 橫截面2 位于氣液界面相區域，部分流線會保持在氣相區域流動，但是流線走向明顯受到液相影響，只有部分進行圓周旋轉，還有部分氣相明顯跟隨液相變向而變向；剩余部分流線跟隨液相和顆粒相進入下半部，相較于橫截面1 出發的數量增加明顯， 大部分流線碰到攪拌器終止；橫截面2 出發的流線顯示氣相與液相有明顯相互作用，在液相上層會發生明顯摻混。

圖5 過渡區域流線圖

液相區域流線分布如圖6 所示。 在計算模型中產生橫截面3，讓流線從橫截面3 出發，然后觀察流線分布。 橫截面3 已經全部位于液相區域，只有小部分流線由于氣液相互作用進入氣相區域； 絕大部分流線都會在中心位置向下進入液相區域，在攪拌器的作用下，會產生兩個明顯的旋轉運動：第1 個旋轉運動沿周向進行，第2 個旋轉運動是在離心力的作用下， 在成球釜下部沿徑向向外甩出然后在壁面的作用下向上翻轉，并且在擋流板的阻流下，在液相上部重新進入向下攪拌區域。

圖6 液相區域流線圖

2.3 流場分布

在計算模型中產生橫截面，讓流線從這個截面出發，然后觀察流場分布。 圖7 為成球釜5 個橫截面流場圖，分別為氣相區域、過渡區域、液相區域的流場分布圖。

圖7 成球釜內物料流場分布

第1 橫截面（氣相區域）。 這個截面位于氣相區域，除了液相和顆粒相掉落下來的位置，都沒有顆粒相，也沒有顆粒相速度，所以只在進口的下方有小塊區域有顆粒相速度， 在重力的作用下，幾乎垂直向下。

第2 橫截面（過渡區域）。 這個截面位于氣液界面區域，顆粒相濃度不大，可以清楚地看到擋流板強行改變了顆粒相的周向運動軌跡，使其向中心方向運動，以便向下沉積。

第3 橫截面（液相區域）。 這個截面位于液相區域，可以清楚地看到擋流板強行改變了顆粒相的周向運動軌跡，使其向中心方向運動，以便向下沉積。

第4 橫截面（液相區域）。 這個截面位于液相區域，可以清楚地看到擋流板強行改變了顆粒相的周向運動軌跡，使其向中心方向運動，以便向下沉積；而在周圍，顆粒相則在徑向軸向環流中向上翻滾。

第5 橫截面（液相區域）。 這個截面位于液相區域，可以清楚地看到在中間區域，由于攪拌器的作用，顆粒相有力地向下沉積，同時具有較強的周向運動；而在周圍，顆粒相則在徑向軸向環流中向上翻滾。

3 結論

3.1 在成球釜氣相區域，主要流動為氣相呈圓周方向繞流。

3.2 在成球釜過渡區域，三相相互作用，在液相的表面及附近區域，液相和顆粒相由于受到壁面擋流板的阻流作用， 周向繞流會周期性地被破壞，產生向成球釜中心方向的流動，在中心處，由于密度差異和攪拌器的作用，顆粒相和液相都會形成旋渦向成球釜底部流動，并且顆粒相會發生分離和沉積， 同時少量氣相被裹挾進入液相區域；這個區域的氣相流動明顯受液相和顆粒相影響，并不完全呈現周向繞流，而是會跟隨液相和顆粒相向中心流動， 只有當氣相繼續向上升浮，才會逐漸完全形成周向繞流。

3.3 在成球釜液相區域，在中心處，液相和顆粒相會向下沉積，然后在攪拌器葉片區域，由于受攪拌器的攪拌作用會被甩向外圍，同時還具有周向旋轉的運動趨勢；由于密度差異，被甩向外圍的液相和顆粒相會發生明顯的分離，然后在壁面和擋流板的作用下，液相和顆粒相會產生一個向徑向-軸向面上的旋轉運動， 然后在靠近中心位置再次沉積，形成循環流動。 所以，液相區域的流動就是徑向-軸向平面上的旋轉環在周向做旋轉運動，旋轉環首尾相連，形成螺旋線。 在攪拌器的底部，由于顆粒相的密度較大，明顯形成一個顆粒相的沉積區域。 在攪拌器葉片的工作面和擋流板的背面會形成一個顆粒相體積比較小的區域，這個區域隨著攪拌器的運動而運動。