不同擋板數(shù)攪拌桶流場的數(shù)值模擬

王明奎，令狐志強

（1.山西晉煤集團(tuán) 長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；2.山西潞安煤基合成油有限公司，山西長治 046000）

0 引言

攪拌是一極重要的操作單元，在化工、冶金、食品、飼料等行業(yè)廣泛應(yīng)用，特別是在化工行業(yè)使用最多。攪拌能夠使物料混合均勻，強化傳質(zhì)、傳熱，是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)以及分散乳化的重要手段。攪拌時首先通過對流擴散和湍流擴散使物料在兩個大尺度下進(jìn)行混合，再使小微團(tuán)均勻混合到分子尺度［1－3］。北京化工大學(xué)周國忠［4］等人評價了攪拌內(nèi)流場的各種模擬處理方法，采用多重參考系法實現(xiàn)了攪拌槽內(nèi)的整體數(shù)值模擬。張林進(jìn)［5］等人用標(biāo)準(zhǔn)模型研究了DT和PTU型槳葉攪拌器內(nèi)的湍流場，結(jié)果表明：對于PTU和DT槳葉，理論預(yù)測速度場分布規(guī)律與LDA測試結(jié)果吻合較好，理論預(yù)測漩渦的空間位置坐標(biāo)與實測值完全一致。本文采用數(shù)值模擬的方法研究攪拌桶內(nèi)附件——擋板對傳質(zhì)混合的影響，以及攪拌桶內(nèi)擋板數(shù)量及其安裝方式對流體流動狀態(tài)的影響［6，7］。

1 攪拌槽模型

本文對制造簡便、應(yīng)用廣泛的折葉開啟渦輪式攪拌器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究攪拌桶中擋板個數(shù)對攪拌效果的影響。攪拌桶內(nèi)的流體進(jìn)行三維流動，按柱坐標(biāo)可分解為軸向流、切向流和徑向流。軸向流和切向流相對應(yīng)于流體混合的對流擴散和渦流擴散，徑向流側(cè)重于分子尺度的混合。

攪拌桶的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：桶體直徑為Φ90 mm，桶高為200 mm，擋板離壁安裝且距槽壁為5 mm，擋板寬度為10 mm；攪拌器選取折葉開啟渦輪，葉片個數(shù)為4或6，葉片夾角θ為90°或60°，葉輪半徑為22 mm，葉片高度為11 mm，葉片厚度為4 mm，葉輪距離桶底為25 mm。葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，擋板數(shù)為4的攪拌桶體示意圖如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

本文攪拌器的模擬流場采用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型，對于攪拌桶中的旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的處理選用多重參考系。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系處理攪拌桶內(nèi)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用四面體網(wǎng)格處理；其他區(qū)域為靜止坐標(biāo)系，選用六面體網(wǎng)格劃分。壓力－速度耦合采用SEMPLE算法，流體流態(tài)為穩(wěn)態(tài)流，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，模擬殘差為10－5，攪拌的流體為水，攪拌速度為1 500 r／min［8］。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

圖2 擋板數(shù)為4的攪拌桶體示意圖

本文在相鄰兩個擋板中央的面上且距圓心為r＝28 mm處分析了隨軸向距離變化的各種速度場，其中，與重力加速度方向相反為軸向速度的正方向，反之為負(fù)；徑向速度的正方向為軸心指向攪拌桶壁，反之為負(fù)；切向速度的正方向為軸旋轉(zhuǎn)的方向，反之為負(fù)。

3 模擬結(jié)果與討論

圖3為合速度矢量圖。由圖3可知，流體經(jīng)葉輪作用后，一部分向槽底運動，之后沿桶體上升，在桶體中央與葉輪形成一個流體的循環(huán)，進(jìn)而將流體攪拌混合均勻。

圖4為不同軸向距離（以桶底為原點）時合速度分布圖。由圖4可知，在葉輪處合速度較大，隨軸向距離的增加合速度逐漸減小。從圖4中可以清楚地看到，桶體均勻布置4個擋板時，合速度較大。

圖5為不同軸向距離時軸向速度分布圖。由圖5可知，隨軸向距離的增加軸向速度逐漸增大，在經(jīng)過葉輪處后逐漸減小，在軸向距離為0.05 m時軸向速度方向發(fā)生改變。在4擋板攪拌桶中，其軸向速度較大，有利于軸向流體的均勻混合。

圖3 合速度矢量圖

圖5 不同軸向距離時軸向速度分布圖

圖6 為不同軸向距離時切向速度分布圖。由圖6可知，在4擋板攪拌桶中，流體的切向速度隨軸向距離的增加整體比6擋板攪拌桶時大。切向速度在葉輪附近處較大，其次是槽底區(qū)域，在桶體較高處切向速度基本較小。

圖7為不同軸向距離時徑向速度分布圖。由圖7可知，在軸向距離較小時（即槽底區(qū)域）徑向速度較小，在葉輪區(qū)域處，徑向速度較大。在軸向距離為0.05 m以上時，徑向速度基本為0。4擋板攪拌桶中，徑向速度較大。

圖4 不同軸向距離時合速度分布圖

圖6 不同軸向距離時切向速度分布圖

圖7 不同軸向距離時徑向速度分布圖

4 結(jié)論

在小型攪拌桶中，明顯發(fā)現(xiàn)擋板數(shù)為4時，對攪拌混合傳質(zhì)影響較大的合速度、軸向速度、徑向速度、切向速度都較擋板數(shù)為6時大，且可以更加節(jié)省能耗，對于大型的攪拌桶中擋板個數(shù)還需要進(jìn)一步研究。

［1］ 袁煬，曾程，李璐，等.高剪切混合罐內(nèi)物料流場的可視化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.食品與機械，2009，25（3）：69－73.

［2］ 蔣勇.攪拌槽內(nèi)微觀混合的研究［D］.北京：北京化工大學(xué) ，2004：12.

［3］ 武道吉，張永吉，李圭白，等.湍流混合動力學(xué)機理研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（6）：707－709.

［4］ 周國忠，施力田，王英琛.攪拌反應(yīng)器內(nèi)計算流體力學(xué)模擬技術(shù)進(jìn)展［J］.化學(xué)工程，2004，32（3）：29－32.

［5］ 張林進(jìn)，葉旭初.攪拌器內(nèi)湍流場的CFD模擬研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，27（5）：59－62.

［6］ 王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［7］ 陳乙崇.化工設(shè)備設(shè)計全書：攪拌設(shè)備設(shè)計［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［8］ 令狐志強.雙向推流攪拌桶的數(shù)值模擬與試驗研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2011：20－32.