基于Fluent的攪拌器固液兩相流數值模擬

譚 歡，鄭維師，王正金

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安 710018）

0 引言

在石油化工等領域，經常需要槳式攪拌器進行固液兩相攪拌，將固相顆粒分散到液體中，形成固液混合物，增強固液相間的傳質傳熱[1]。槳式攪拌器作為一種混合機械，可用于黏性或有凝聚性的粉粒體的混合，廣泛應用于農藥、食品、化學品、生物、養殖業等固-固、固-液的混合[2-4]。由于流體中存在密度較大的固相顆粒，攪拌過程中容易出現沉積，從而影響攪拌效果。因此防止槳式攪拌器的固相顆粒沉積，使其在液相中達到懸浮狀態，是槳式攪拌器的攪拌特性研究的重要內容[5]。前人在雙層攪拌器流動特性分析了做了許多研究，陳逸范等[6]通過實驗的方法,在改變多種雙層平斜槳式攪拌器的直徑和轉速情況下，得出攪拌器的攪拌效果以D/T=0.5雙層平槳為最佳；陳凱等[7]通過實驗的方法系統研究和比較了徑流槳和徑流槳組合、徑流槳和斜葉槳組合以及斜葉槳和斜葉槳組合3 類不同的雙層攪，在氣液分散攪拌過程中的優劣。拌器組合；莫瑾等[8]使用Fluent對雙層攪拌器進行數值模擬，分析雙層攪拌器安裝間距在900 mm時攪拌器內流動狀態最好；鄧華軍等[9]利用計算流體動力學（CFD）的方法,對攪拌器混合油漆混合液體的過程進行數值模擬,分析了這種自制的攪拌器層間距的改變對混合時間的影響；張慧敏等[10]利用Fluent 軟件模擬了單、雙層開啟渦輪式攪拌器在釜內的流場，研究表明選用單層渦輪式攪拌器時流體流動范圍較窄，選用雙層渦輪式攪拌器時流體流動范圍較廣。

雖然對雙層攪拌器內流動特性有了許多研究，但對雙層攪拌器固液混合效果方面的研究較少，因此本文針對雙層攪拌槳的攪拌器，利用Fluent軟件對攪拌器內的固液混合流場特性進行數值模擬，研究了該攪拌器內的速度流場情況，以及在不同轉速下固體顆粒的懸浮狀態。

1 建立模型

1.1 幾何模型

研究對象為弧形底圓柱式攪拌器，用三維建模軟件Solid-Works 建立的模型如圖1 所示，建模中心為攪拌器頂部中心。對于完全離底懸浮，只需一層葉輪，而對于均勻懸浮，則必須使用多層葉輪，因此攪拌器由兩層葉輪組成，同軸布置。模型參數：攪拌器直徑D=900 mm，高度H=900 mm，攪拌軸直徑D1=65 mm，上層葉輪長度L1=255 mm、寬度W1=40 mm，下層葉輪長度L2=200 mm、寬度W2=40 mm。

圖1 幾何模型

1.2 網格模型

將模型導入到Mesh 模塊中進行網格劃分，數值模擬涉及到旋轉計算因此將模型劃分為動區域和靜區域，其中動區域將攪拌槳包括在里面，其余區域為靜區域，總體采用四面體非結構化網格劃分，并且對內層動區域進行網格加密，單元數為311 198，網格質量為0.8，結果如圖2所示。

圖2 網格模型

2 數值模擬

2.1 控制方程

Mixture 模型可用于模擬各相之間存在速度差異的多相流動，該模型假定了在短空間尺度上局部的平衡[11]。由于固相顆粒與流體之間的相互作用力是未知的，且固相顆粒需要廣泛的分布于液相之中，對于這種情況可以Mixture 模型進行模擬。并且Mixture 將固液兩相都視為連續相，對于不涉及化學反應的固液混合模擬，也需要考慮質量和動量守恒方程。

連續性方程：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

2.2 邊界條件與求解方法

Fluent 處理攪拌問題時，主要提供了3 種解決辦法：多重參考系模型（MRF）、滑移網格模型SMM）和動網格模型[12]。本文模擬采用的MRF 模型，對不同的區域可以設置不同的轉速，而且每個運動區域網格中使用運動參考系方程求解流動場。本文中葉輪和攪拌器邊界均設置為壁面邊界條件，葉輪半徑范圍內的流體區域定義為旋轉參考系，設置該區域的轉速，旋轉方向定位Y軸正方向。采用壓力基穩態求解，壓力-速度耦合方法選用SIMPLE 算法，空間離散化梯度設置為Green-Gauss Node Nased，采用一階迎風差分格式。設置底部300 mm 深度區域的固體顆粒作為初始化條件，固相初始分布如圖3 所示。

圖3 初始狀態固液相分布

3 數值模擬結果與分析

本文中雙層攪拌槳的目的是讓固體顆粒均勻的懸浮在液態溶液中，雙層攪拌槳旋轉過程中將自身的速度和動能不斷地傳遞到流體域中來實現固體顆粒的均勻懸浮，因此需要分析轉速對固液均勻懸浮的影響，以及分析轉速一定時不同位置的速度場和顆粒的體積分布情況，進而為相關攪拌器的設計研究提供一定的科學依據。

3.1 攪拌器軸向速度場分析

在轉速為300 r/min 時攪拌器軸截面的速度云圖如圖4 所示。從圖中可以看出，攪拌器的總體流場特征呈現為對稱分布，在攪拌槳端部處有明顯的徑向流動且速度較高，故攪拌流場可以認為是一種典型的徑向流分布。在攪拌器的頂部和底部位置，流體的流動基本沒有影響，要想固液混合均勻，因此要增大轉速以此改變流場運動。

圖4 軸向截面速度云圖

3.2 攪拌槳處截面速度分析

本文中攪拌器為雙層攪拌槳，其所在截面的速度分布云圖如圖5 所示。從圖中可以看出，上層攪拌器周圍的流動速度比下層攪拌器周圍的流動速度較大，并且在高速旋轉下都存在打旋的現象。

圖5 攪拌器截面速度云圖

3.3 轉速對固相顆粒分布的影響

分別在轉速為50、100、150、200、250、300、350 r/min下分析攪拌器內固液兩項分布情況，結果如圖6 所示。從圖中可以看出，在轉速較低的時候固相幾乎都沉積在底部沒有發生流動，當轉速增大到150 r/min 時靠近攪拌器避免的固體顆粒向著中心發生流動，轉速繼續增大時流動現象更加明顯，當轉速到達350 r/min 時可以看出底部沒有明顯的顆粒沉積了。

圖6 不同轉速下固相分布云圖

4 結束語

（1）通過Fluent 對雙層攪拌槳的攪拌器進行了流場分析，結果表明攪拌器為徑向流攪拌器，并且在高速選裝下，攪拌器流體存在明顯的打旋現象。

（2）分析了轉速在50～350 r/min 之間，攪拌器內固相顆粒的分布狀態，結果表明轉速較低時攪拌器內的固體幾乎都沉積在底部，隨著轉速的增加固體顆粒才開始向攪拌器上部流動，當轉速達到350 r/min 時，攪拌器底部已無明顯的顆粒沉積。