基于十字?jǐn)嚢杵鞯臐衩夯覕嚢钄?shù)值模擬

張錦洲，高陳，易先中，李亞航 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

張雷 (徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

煤化工的造氣和凈化洗氣工藝中，高溫循環(huán)水經(jīng)過(guò)混合、絮凝、澄清、分離工序，細(xì)小的顆粒、懸浮物從循環(huán)水中分離出來(lái)，形成帶有油狀表面、含水量較大、成分復(fù)雜的黑色濕煤灰[1,2]。大量濕煤灰的處理是急需解決的環(huán)境問(wèn)題，將濕煤灰的處置與資源化利用相結(jié)合是濕煤灰處理的最佳出路，濕煤灰的資源化利用能夠部分減少對(duì)自然資源的消耗，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。通過(guò)技術(shù)處理將濕煤灰作為建材利用或燃料利用是國(guó)際上比較先進(jìn)的濕煤灰處理技術(shù)，這在很大程度上緩解了環(huán)境污染等問(wèn)題，更實(shí)現(xiàn)了變廢為寶[3]。但無(wú)論哪種無(wú)害化、資源化處置方法,濕煤灰攪拌都是必不可少的環(huán)節(jié)，因此，研究水與濕煤灰兩相流數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬并分析其攪拌過(guò)程對(duì)濕煤灰資源化利用都有著重要作用。下面，筆者利用Fluent軟件對(duì)十字?jǐn)嚢杵鳚衩夯夜桃簝上嗔鲾嚢枨闆r進(jìn)行數(shù)值了模擬。

1 計(jì)算模型

圖1 十字槳攪拌器模型圖

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用Fluent的前處理軟件Gambit建立模型，攪拌器尺寸如下：桶半徑1m,桶深2m,十字槳片半徑0.3m，高度0.3m，厚度10mm。建成的攪拌器實(shí)體模型和劃分網(wǎng)格如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律，根據(jù)質(zhì)量守恒定律得出質(zhì)量守恒方程[4]：

(1)

式中,ρ為流體密度；t為時(shí)間；u、v、w為速度矢量在X、Y、Z方向的分量。

對(duì)于不可壓縮流體,密度ρ不變,是一個(gè)定常值,因此,式(1)可變?yōu)?

(2)

而當(dāng)流體流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)時(shí),密度將不再隨著時(shí)間的變化而變化,此時(shí)式(1)可變?yōu)?

(3)

質(zhì)量守恒方程式(2)和式(3)通常稱(chēng)為流體流動(dòng)的連續(xù)方程。

1.3 物性條件及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)工程實(shí)際，濕煤灰顆粒直徑設(shè)定為0.002m，其黏度為水的30～70倍，選擇50倍的值。

多相流流體的基本模型主要有VOF模型、混合模型以及歐拉模型3種,其中歐拉模型計(jì)算結(jié)果精度相對(duì)較高[5]。筆者選用歐拉模型，湍流模型選用經(jīng)典的k-ε湍流模型[6,7]。在Fluent中讀入網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件為速度進(jìn)口，兩相分別設(shè)為濕煤灰和水。

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓強(qiáng)分析

設(shè)置濕煤灰體積分?jǐn)?shù)為30%，依次模擬攪拌速度為40、50、60、70r/min的兩相流在攪拌器內(nèi)部的攪拌情況，得出攪拌槽內(nèi)部壓強(qiáng)云圖如圖2所示。

圖2 壓強(qiáng)云圖

圖3 壓強(qiáng)-轉(zhuǎn)速圖

從流場(chǎng)的模擬結(jié)果可以看出，攪拌器靠近槳片處流體壓強(qiáng)最大，且十字槳片受力均勻。槳片端部受壓強(qiáng)最大，槳片根部受壓強(qiáng)最小，隨著流動(dòng)遠(yuǎn)離槳片，壓強(qiáng)逐漸減小，在靠近轉(zhuǎn)軸處，壓強(qiáng)最小。圖3為壓強(qiáng)-轉(zhuǎn)速關(guān)系圖，由圖3可以看出，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增大到70r/min的過(guò)程中，壓強(qiáng)逐漸增大，表明攪拌器內(nèi)部壓強(qiáng)隨著攪拌軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。壓強(qiáng)越大，槳片受力越大，越容易損壞。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速越小時(shí)，槳片的耐用性越強(qiáng)。

2.2 流速分析

為更好地觀察混合體在攪拌槽中的攪拌狀況，筆者對(duì)攪拌器內(nèi)部做了流速分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，攪拌器槳片端部處流體速度最高，隨著流動(dòng)遠(yuǎn)離槳片，速度逐漸降低，葉片噴射出的流體進(jìn)入周?chē)罅康退倭鲃?dòng)的液體中，卷吸周?chē)黧w，并沿著徑向擴(kuò)散。攪拌器下部，靠近攪拌槽的部分速度最大，這是由于葉輪推動(dòng)液體時(shí)，液體先沿著徑向流動(dòng)，碰上攪拌槽后分別向上向下流動(dòng)，即軸向流動(dòng)，從而導(dǎo)致攪拌槽附近的軸向速度較大。其中代表高速的為高亮度區(qū)域，高亮度區(qū)域的面積越大，攪拌效果越好。在攪拌轉(zhuǎn)速為40、50、60、70r/min的情況下，貼近攪拌槽的部分區(qū)域，都會(huì)出現(xiàn)速度較低值的攪拌不良區(qū)，此時(shí)可通過(guò)增加攪拌槳的個(gè)數(shù)，改善攪拌情況。

圖4 速度云圖

2.3 濕煤灰濃度分析

為研究濕煤灰分層情況，筆者研究了不同轉(zhuǎn)速下攪拌槽中濕煤灰的濃度分布情況，如圖5所示。

圖5 濕煤灰濃度分布圖

在圖5中，顏色越亮，表明濕煤灰濃度越高。從流場(chǎng)的模擬結(jié)果可以看出，攪拌器右側(cè)貼近槳片區(qū)域濕煤灰濃度較大。隨著轉(zhuǎn)速由40r/min增大到70r/min，槳片左右兩側(cè)區(qū)域顏色變化越來(lái)越明顯，說(shuō)明濕煤灰分層現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。因此，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速較低為40r/min與50r/min時(shí)，攪拌更均勻。

3 結(jié)論

1)隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，槳片的壓強(qiáng)隨之增加，槳片根部受壓較小，端部受壓較大。

2)在遠(yuǎn)離槳片，貼近攪拌槽的局部地區(qū)會(huì)出現(xiàn)攪拌不充分的地方，可通過(guò)增加槳片數(shù)目，減少攪拌不充分問(wèn)題出現(xiàn)的幾率。

3)攪拌濕煤灰時(shí)，攪拌器轉(zhuǎn)速較高時(shí)，濕煤灰分層情況嚴(yán)重，攪拌效果差。此時(shí)宜采用較低轉(zhuǎn)速。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李兵,尹慶美,張華,等. 濕煤灰的處理處置方法與資源化[J]. 安全與環(huán)境工程,2010,17(4):52～56.

[2]李艷霞,陳同斌. 中國(guó)濕煤灰有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量與土地利用[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 23(11): 2464～2474.

[3]韋朝海,陳傳好. 濕煤灰的處理、處置與利用的研究現(xiàn)狀分析[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài),2009,11(4)：10～13.

[4]趙玉鑫，劉穎杰. 濕煤灰處理技術(shù)及工程實(shí)例 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]張光明，張信芳，張盼月. 濕煤灰資源化技術(shù)進(jìn)展[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[6]楊曉璞,趙學(xué)義,金赟. 高濃度黏稠物料加壓旋轉(zhuǎn)流變儀的研制與標(biāo)定[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，41(4):59～62.

[7]牟童. T 型攪拌器數(shù)值模擬研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技,2014(3):89～94.