不同組合槳煤漿攪拌槽混合特性的數(shù)值研究

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著水煤漿制備與燃燒技術(shù)的發(fā)展，水煤漿已部分代替燃油和燃煤，成為一種新型的燃料。水煤漿是一種多相流的流體，懸浮物為顆粒狀物質(zhì)。本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)流動(dòng)混合過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以模擬槽內(nèi)的流動(dòng)混合特性。

目前，國(guó)外馬里蘭大學(xué)的Calabrese教授及浙江大學(xué)的王瑾教授對(duì)臥式放置的煤漿混合槽內(nèi)的氣液固三相流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬；Chmalzrief教授計(jì)算了單層渦輪槳的三維濃度場(chǎng)分布，并利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與湍流模型選擇密切相關(guān)；王定標(biāo)教授利用粒子圖像測(cè)速(PIV)和CFD技術(shù)研究了攪拌槽內(nèi)雙層槳葉不同位置的流場(chǎng)和示蹤劑濃度分布情況，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水煤漿多層組合槳攪拌槽內(nèi)流動(dòng)混合的研究較少。本文運(yùn)用CFD方法對(duì)3種槳型的煤漿攪拌槽進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了不同漿葉組合對(duì)攪拌槽混合性能的影響，對(duì)水煤漿攪拌槽的深入研究和新型煤漿攪拌槽的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型

本文選用化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的2種槳葉結(jié)構(gòu)組合成3種攪拌槳型，對(duì)3種槳型的煤漿攪拌槽進(jìn)行模擬研究。2種槳葉結(jié)構(gòu)見圖1，圖1(a)為平直槳葉；圖1(b)為45°折葉渦輪槳葉。3種槳型的煤漿攪拌槽結(jié)構(gòu)見圖2，圖2(Ⅰ)為單層平直槳煤漿攪拌槽；圖2(Ⅱ)為雙層45°折葉渦輪槳煤漿攪拌槽；圖2(Ⅲ)為平直槳葉-45°折葉渦輪槳葉組合槳煤漿攪拌槽。研究過程中設(shè)定煤漿攪拌槽直徑為3 400 mm，深為4 300 mm，槳葉直徑為1 950 mm，寬為200 mm，4個(gè)擋板均勻分布在煤漿攪拌槽內(nèi)壁附近，其寬為200 mm，上層槳葉距煤漿攪拌槽底部2 800 mm，下層槳葉距煤漿攪拌槽底部800 mm。

圖1 2種槳葉結(jié)構(gòu)

圖2 3種組合槳煤漿攪拌槽結(jié)構(gòu)

關(guān)于攪拌槽PIV實(shí)驗(yàn)與CFD模擬分析，大量研究表明，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能較好模擬攪拌槽內(nèi)的三維流動(dòng)[1-6]。采用三維雷諾平均N-S方程模擬煤漿攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)混合，并以標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型使方程閉合進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，控制方程組如下：

(1)連續(xù)方程

(1)

(2)動(dòng)量方程

(2)

(3)湍流模型

(3)

(4)

其中，p為靜壓；τmn為應(yīng)力；ρgm為重力體積力；Fm為源項(xiàng)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；σk與σε分別為與和耗散率與湍動(dòng)能相對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

1.2 計(jì)算方法

本文采用ANSYS 15.0中fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，首先采用穩(wěn)態(tài)的隱式分離方法，待流場(chǎng)穩(wěn)定后選擇非穩(wěn)態(tài)的隱式分離方法，一直計(jì)算到結(jié)果收斂。壓力與速度的耦合求解采用SIMPLE算法，其對(duì)流項(xiàng)的離散采用一階迎風(fēng)差分格式。選用多重參考系對(duì)煤漿攪拌槽進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即將煤漿攪拌槽分為兩個(gè)部分，分別對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)四面體混合網(wǎng)格，內(nèi)部攪拌槳區(qū)網(wǎng)格設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，外部槳外區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置為靜止坐標(biāo)系。

劃分網(wǎng)格時(shí)，將計(jì)算區(qū)域分為內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域，將內(nèi)部動(dòng)區(qū)域的流體旋轉(zhuǎn)速度與攪拌槳旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為相同，外部靜區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)置為靜止。將槳和軸設(shè)置為旋轉(zhuǎn)邊界，將擋板及槽壁設(shè)置為靜止邊界。模擬計(jì)算時(shí)所選介質(zhì)是煤漿，所選示蹤劑是石灰石添加劑，攪拌漿旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為60 r/min。

圖3 加料點(diǎn)位置

計(jì)算過程中考察3種組合槳煤漿攪拌槽中石灰石添加劑與水煤漿的混合情況，選取F為加料點(diǎn)，利用Fluent軟件中的MIXTURE模型，Patch加料點(diǎn)單元F內(nèi)示蹤劑的體積分?jǐn)?shù)為1，其他區(qū)域示蹤劑體積分?jǐn)?shù)為0。加料點(diǎn)的具體位置見圖3。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 3種組合槳攪拌槽流場(chǎng)分布的對(duì)比研究

圖4是3種組合槳攪拌槽X=0截面速度分布圖，3種情況下總的流型是以葉輪為界形成的上下循環(huán)流。在圖4(Ⅰ)中，單層平直槳葉附近的流體湍動(dòng)主要集中在槳葉的頂端，形成的漩渦區(qū)域比較小。由于槳葉是平直的，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向流很大，軸向流動(dòng)卻不明顯，所以攪拌槽中部和上部的流體得不到充分的擾動(dòng)。整理上看，流體湍動(dòng)不明顯，混合效果差；在圖4(Ⅱ)中，上下兩層都是45°折葉渦輪槳，流體軸向流動(dòng)明顯增強(qiáng)，但從整體上看，形成的漩渦區(qū)域不明顯，流體湍動(dòng)效果差，混合效果不好；在圖4(Ⅲ)中，形成的漩渦區(qū)域明顯，可以使流體充分混合，這是由于上層45°折葉渦輪槳葉產(chǎn)生的軸向流動(dòng)與下層平直槳葉產(chǎn)生的周向流動(dòng)的液體產(chǎn)生對(duì)流，流體充分?jǐn)_動(dòng)，混合效果增強(qiáng)。

2.2 3種組合槳攪拌槽流場(chǎng)示蹤劑分布的對(duì)比研究

圖5為在攪拌槽X=0截面上加料點(diǎn)F處加入示蹤劑后，攪拌槽X=0截面上示蹤劑的體積分布圖，從圖5中可知(Ⅰ)和(Ⅱ)中的流體分布極不均勻，(Ⅰ)中X=0截面的右邊中上部、左邊的攪拌葉片附近與攪拌軸上部附近示蹤劑的體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他部分示蹤劑的體積分?jǐn)?shù)；(Ⅱ)中的X=0截面右邊中部示蹤劑體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他部分的示蹤劑體積分?jǐn)?shù)；(Ⅲ)中示蹤劑體積分布比較均勻，石灰石示蹤劑與煤漿混合效果較好。這是因?yàn)?Ⅰ)和(Ⅱ)中示蹤劑體積分?jǐn)?shù)高的區(qū)域流體速度較低，形成了較大的漩渦死區(qū)，示蹤劑不能與煤漿充分混合，而在(Ⅲ)中因?yàn)闆]有漩渦死區(qū)，流體充分混合。

圖4 3種組合槳攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)分布

圖5 3種組合槳攪拌槽內(nèi)示蹤劑分布

2.3 3種組合槳攪拌槽出口截面上示蹤劑體積分布

圖6是在攪拌槽F處加入示蹤劑后，攪拌槽X=0，截面Y值從-950 mm到-650 mm(出口截面徑向)處示蹤劑的體積分布。一般出口截面上各相的體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng)范圍小于1%，則認(rèn)為物料已經(jīng)混合均勻。從圖中可以看出，隨著Y值的增大，(Ⅰ)的出口截面上示蹤劑體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，然后平穩(wěn)，示蹤劑的體積分?jǐn)?shù)在[0.565， 0.785]，最大波動(dòng)幅度為38.4%；(Ⅱ)的出口截面上的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，示蹤劑的體積分?jǐn)?shù)在[0.72， 1.1]，最大波動(dòng)幅度為52.8%；(Ⅲ)的出口截面上的體積分?jǐn)?shù)在[1.61， 1.63]，最大波動(dòng)幅度為1.24%。根據(jù)結(jié)果可以認(rèn)為(Ⅲ)的整個(gè)出口截面上示蹤劑的體積分?jǐn)?shù)基本無變化，這意味著石灰石添加劑與煤漿已經(jīng)混合均勻。

圖6 3種組合槳攪拌槽出口截面示蹤劑體積分布

3 結(jié)語

(1)3種組合槳煤漿攪拌槽內(nèi)流型基本是以葉輪為界形成的上下循環(huán)流，在槳葉的旋轉(zhuǎn)作用下，內(nèi)部產(chǎn)生漩渦，漩渦一般都位于攪拌槳葉與擋板之間。漩渦的產(chǎn)生不僅有助于防止擋板處物料的堆積和流動(dòng)死角的產(chǎn)生，還能使煤漿和石灰石添加劑混合得更均勻。

(2)不同形式槳葉組合對(duì)煤漿與石灰石添加劑攪拌混合特性影響較大。單層平直槳葉附近的流體湍動(dòng)主要集中在槳葉的頂端，形成的的漩渦區(qū)域比較小，攪拌效果較差；雙層45°折葉渦輪槳形成軸向流動(dòng)明顯，整體上看形成的漩渦區(qū)域不明顯，混合效果一般；雙層平直槳葉-45°折葉渦輪槳葉組合槳產(chǎn)生的上下不同流型相互作用，可以使攪拌槽內(nèi)的流體充分混合，出口截面上示蹤劑體積分?jǐn)?shù)的最大波動(dòng)幅度為1.24%，意味著煤漿與石灰石添加劑已經(jīng)混合均勻，說明平直槳葉-45°折葉渦輪槳葉這種槳型組合的綜合性能優(yōu)于另外兩種槳型組合，對(duì)新型煤漿攪拌槽的開發(fā)與設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。