渦輪式組合攪拌器的數(shù)值模擬研究

□ 劉法鑫 □ 王子含

青島科技大學 機電工程學院 山東青島 266061

1 研究背景

攪拌設(shè)備是石油、紡織、醫(yī)藥、化工等行業(yè)所必需的關(guān)鍵設(shè)備[1]。在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中,單層攪拌器功能單一,生產(chǎn)效率較低,因此往往需要對不同特點的攪拌器進行組合使用,以提高生產(chǎn)效率。

Micale等[2]應(yīng)用FLUENT流體動力學軟件分別對單層和多層槳對固體顆粒的分散特性進行模擬,得到分散規(guī)律。Jaworski等[3]應(yīng)用FLUENT流體動力學軟件對組合式渦輪攪拌器進行模擬研究,研究結(jié)果對提高混合效率有參考價值。在國內(nèi),技術(shù)人員也加快了對組合式攪拌器的開發(fā)。胡躍華[4]開發(fā)的復合式攪拌器極大提高了生產(chǎn)效率。苗一等[5-6]應(yīng)用FLUENT流體動力學軟件,選用RNGk-ε模型對組合式渦輪攪拌器的混合時間進行了模擬。

筆者應(yīng)用FLUENT流體動力學軟件,采用Laminar模型對上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器和直斜葉交替渦輪式組合攪拌器在甘油與水的混合物中形成的流場進行模擬研究,得到其宏觀流場特性和時均速度分布,為組合式渦輪攪拌器的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

2 攪拌器結(jié)構(gòu)及尺寸

攪拌槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌槽直徑T為210 mm,液位高度H為300 mm。沿著攪拌槽周向均勻安裝四塊矩形擋板,其寬度W為T/10。攪拌槳結(jié)構(gòu)如圖2所示。筆者所使用的渦輪式組合攪拌器共兩組,一組是由上層六直葉渦輪式攪拌器、下層45°斜葉渦輪式攪拌器組成的上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器,另一組是由兩個結(jié)構(gòu)相同的攪拌器組成的直斜葉交替渦輪式組合攪拌器,葉片結(jié)構(gòu)為直葉和斜葉交替安裝,并且上下層攪拌器所對應(yīng)的槳葉也為交替安裝。攪拌槳的直徑D為100 mm,軸徑φ為15 mm,槳葉尺寸為25 mm×20 mm×2 mm,下層槳離槽底的距離C1為75 mm,槳間距C2為85 mm。

▲圖1 攪拌槽結(jié)構(gòu)

攪拌介質(zhì)是甘油和水的混合物,其黏度μ為0.4 Pa·s,密度ρ為1 250 kg/m3,攪拌槳的轉(zhuǎn)速N為200 r/min,流體在流動過程中的雷諾數(shù)Re為:

Re=ρND2/μ

(1)

相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1),得到雷諾數(shù)Re為104.167,流場狀態(tài)為層流。

3 流場數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

將攪拌槽內(nèi)流場劃分為動區(qū)域和靜區(qū)域,網(wǎng)格選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,動區(qū)域網(wǎng)格劃分相對較密,靜區(qū)域網(wǎng)格劃分較為稀疏,同時對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證[8-9]。以上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器為例,其網(wǎng)格數(shù)為1 526 060,網(wǎng)格劃分如圖3所示。

▲圖2 攪拌槳結(jié)構(gòu)▲圖3 上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器網(wǎng)格劃分

3.2 基礎(chǔ)設(shè)置

模擬時,壓力與速度的耦合方式選擇SIMPLE格式,壓力選用STANDARD格式,動量選擇一階迎風格式,選用多重參考系法對流場進行處理[10],并選擇Laminar模型進行計算。

3.3 邊界條件

選擇動區(qū)域的介質(zhì)材料和攪拌轉(zhuǎn)速,靜區(qū)域只設(shè)定介質(zhì)材料。攪拌槽的底面和側(cè)面都屬于靜區(qū)域,邊界條件設(shè)置為WALL類型。由于液面的上表面為自由液面,所以液面邊界條件選擇SYMMETRY類型。攪拌軸的邊界條件選擇WALL類型。動區(qū)域和靜區(qū)域的接觸面為交界面,邊界條件選擇INTERFACE類型。

3.4 流場分析

筆者研究的對象為上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器和直斜葉交替渦輪式組合攪拌器,具體分析軸向縱切面的流場和速度分布。這兩種渦輪式組合攪拌器的軸向縱切面速度矢量如圖4所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn),在兩種攪拌器的流場中,每層攪拌槳都會在槳葉的上下位置處各產(chǎn)生一個渦環(huán),在每組攪拌器的流場內(nèi)共有四個渦環(huán)。

攪拌槽內(nèi)的流場流型為平行流,直斜葉交替渦輪式組合攪拌器在兩槳之間產(chǎn)生的渦環(huán)有一定的連接趨勢。直斜葉交替渦輪式組合攪拌器集中了直葉槳和斜葉槳的特點,葉片為直斜葉交替安裝,上下層槳之間對應(yīng)的葉片也為直斜葉交替安裝,所以流場結(jié)構(gòu)不對稱,并且葉片之間會相互影響,直葉片所產(chǎn)生的徑向流不與攪拌軸垂直,斜葉片所產(chǎn)生的軸向流與水平面的夾角變小,所產(chǎn)生的流場也不對稱。

上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器可以認為是兩種攪拌器的簡單疊加,彼此之間作用力較小,槽內(nèi)的平行流特征比較明顯,流場為對稱分布。

兩種渦輪式組合攪拌器的軸向縱切面速度云圖如圖5所示。從整體上而言,兩種攪拌器的速度相差不大,攪拌范圍較廣,并且在槳葉端部的速度最快。直斜葉交替渦輪式組合攪拌器在兩槳之間的擾動區(qū)域要比上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器的振動區(qū)域大,說明前者在兩槳之間混合效果更好。上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器在兩槳之間出現(xiàn)了一定程度的流動分區(qū)情況,不利于流體的混合。

兩種渦輪式組合攪拌器上層槳上方30 mm處、下層槳上方30 mm處綜合速度云圖分別如圖6、圖7所示。通過對比圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn),在兩槳之間,直斜葉交替渦輪式組合攪拌器的高亮度區(qū)域要比上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器的高亮度區(qū)域大,說明在兩槳之間,直斜葉交替渦輪式組合攪拌器的流速最快。這是因為直斜葉交替渦輪式組合攪拌器在兩槳之間的流體有連接的趨勢,流動性較好,再加上特殊的葉片交錯安裝結(jié)構(gòu)形式,使兩槳之間的相互作用力得到加強,混合效果更好。兩種攪拌器在下層槳上方30 mm處高亮度區(qū)域都比在上層槳上方30 mm處高亮度區(qū)域大,原因是下層槳上方30 mm處受到了上下兩槳的共同作用,作用力比上層槳上方區(qū)域大,所以流速比上層槳上方區(qū)域快。

▲圖4 渦輪式組合攪拌器軸向縱切面速度矢量▲圖5 渦輪式組合攪拌器軸向縱切面速度云圖

3.5 速度分析

對兩種渦輪式組合攪拌器進行定量分析,取槽內(nèi)X軸位置為66 mm,Y軸位置為0 mm時,Z軸坐標為-85～215 mm對應(yīng)的線段為監(jiān)測線,分析比較在這條監(jiān)測線上兩種攪拌器的軸向、徑向、切向三個速度分量分布情況。

軸向速度分量分布曲線如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn),兩種攪拌器各自產(chǎn)生了兩個負向軸向速度峰值和兩個正向軸向速度峰值。

在上下層攪拌槳之間,直斜葉交替渦輪式組合攪拌器的速度峰值均比上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器的速度峰值大,由此可以說明,在兩槳之間,直斜葉交替渦輪式組合攪拌器有最快正向軸向速度和負向軸向速度,與上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器相比,更有利于流體在軸向上的混合。

徑向速度分量分布曲線如圖9所示。由圖9可以發(fā)現(xiàn),兩種攪拌器上下槳葉周圍各自產(chǎn)生了兩個正向徑向速度峰值,在上層槳上方、兩槳中間,以及下層槳下方各自產(chǎn)生了三個負向徑向速度峰值,并且正向速度峰值更大。原因是攪拌槳形成的徑向流在遇到槽壁之后損失了一部分能量,使回流速度減慢。在兩槳之間的負向速度峰值要比其它兩個負向速度峰值大,說明兩槳之間產(chǎn)生的徑向速度在渦環(huán)的雙重作用下得到加快。

切向速度分量分布曲線如圖10所示。由圖10可以發(fā)現(xiàn),切向速度全部為正值,并且速度峰值出現(xiàn)在上下槳的槳葉附近。隨著與攪拌槳距離的增大,速度減慢。當?shù)竭_槽底和液面時,速度為零。

▲圖6 渦輪式組合攪拌器上層槳上方30 mm處綜合速度云圖▲圖7 渦輪式組合攪拌器下層槳上方30 mm處綜合速度云圖

▲圖8 軸向速度分量分布曲線▲圖9 徑向速度分量分布曲線

▲圖10 切向速度分量分布曲線

4 結(jié)論

筆者應(yīng)用FLUENT流體動力學軟件對上直葉下斜葉渦輪式組合攪拌器和直斜葉交替渦輪式組合攪拌器進行數(shù)值模擬,得到以下結(jié)論:

(1) 兩種渦輪式組合攪拌器所產(chǎn)生的流場均為四渦環(huán)形式;

(2) 在上層槳和下層槳之間,直斜葉交替渦輪式組合攪拌器的流體混合效果最好;

(3) 在流場中,兩槳之間的流體流動性要比上層槳上方和下層槳下方好;

(4) 切向速度分量比其它兩個方向速度分量要大,所以攪拌槽內(nèi)的流體主要為周向運動。