1、精選優質文檔-傾情為你奉上攪拌器數值模擬1 引 言攪拌混合是一種常規的單元操作，具有廣泛的應用背景，攪拌可以使物料混合均勻、使氣體在液相中很好地分散、使固體粒子(如催化劑)在液相中均勻地懸浮、使不相溶的另一液相均勻懸浮或者充分乳化，并可以強化相間的傳質、傳熱。作為工業生產中工藝過程的一部分，攪拌效果直接影響到其它后續生產過程。在利用超臨界流體對廢舊橡膠進行脫硫的課題中，脫硫反應釜中應用四葉渦輪攪拌器加強脫硫劑對溶脹橡膠的滲透作用。本文即對攪拌器在反應釜中產生的流場進行數值計算，分析攪拌流場特性，通過模擬得到流場結構及攪拌槳的速度矢量分布。2 攪拌器流場數值模擬2.1 四葉渦輪攪拌器solidw

2、orks建模四葉渦輪攪拌器槳葉直徑，葉片寬，厚，輪轂直徑20mm。三維模型建好后，保存為jiaobanqi.IGS文件。圖1四葉渦輪攪拌器2.2 四葉渦輪攪拌器Gambit建模（1）將生成的jiaobanqi.IGS文件導入Gambit中，得到volume1。（2）建立攪拌槽模型本文采用平底圓柱形槽體，內徑 ，槽內液位高度； 攪拌器安裝在軸徑的攪拌軸上，槳葉中心線離槽底高度 。圖2 攪拌槽尺寸1）建立圓柱體模型，此模型作為攪拌器的動區域，圓柱體尺寸高為60mm，半徑60mm。之后需對圓柱體進行平移，由于圓柱體的基準面都是建立在坐標原點所處的面上，本模型需使圓柱體沿著Z軸平移，設定Z軸的平移量為

3、-20，得到volume2。2）以同樣的方法分別建立高為40mm，半徑為8mm，高為210mm，半徑為105mm，高為110mm，半徑為8mm的3個圓柱體，分別為volume3，volume4，volume5，其中volume3無需平移，volume4沿Z軸平移-60，volume5沿Z軸平移40。最終得到攪拌槽的模型如圖3所示。圖3 攪拌槽模型（3）布爾運算本次模擬采用多重參考系模型( Multi-Reference Frame, MRF )。即在計算時，將計算域分成兩大部分：一部分包含運動的葉片，即轉子區，另一部分包含靜止的槽體，稱為定子區；兩個區域的計算分別采用兩個參考坐標系來進行，葉片

4、所在區域（轉子區）采用以葉片速度旋轉的參考系，另一部分區域（定子區）使用靜止參考系，具體設置見圖4，參考系邊界可以直接進行數據交換。a:轉子區(采用旋轉坐標系) b:定子區(采用靜止坐標系) Es:兩部分的界面圖4 多重參考系模型示意圖因此在建立Gambit模型時進行布爾減操作，即將攪拌槽的整體分為轉子區和定子區兩部分，同時在轉子區去除攪拌器。首先攪拌槽整體區域與轉子區相減，需保留轉子區。以同樣的方法完成攪拌槽整體區域與攪拌軸上部相減，轉子區與攪拌器相減，轉子區與攪拌軸下部相減。（4）網格劃分目前，在復雜區域內生成網格的方法總的來說可以分為兩大類：結構化網格和非結構化網格。當計算區域的幾何結構

5、形狀比較規則時，可以實現應用結構化網格進行劃分區域，在結構化網格中，每一節點及控制容積的幾何信息必須加以存儲，但該節點與其相鄰點關系則可依據網格編號規律自動得出，因而不必存儲這類信息，這是結構化網格的一大優點。當計算區域比較復雜時，即使應用專門的網格生成技術也難以處理所求解的不規則區域，這時采用非結構化網格進行區域劃分。在非結構化網格中，由于一個節點與其鄰點的關系不是固定不變的，因此這種聯結信息必須對每一個節點都顯式地確定下來并加以存儲。非結構化網格的這一特點對于網格的自動生成、自適應處理及平行計算的實施帶來不少方便，因此這種網格被普遍使用。本次模擬采用結構化網格，即六面體網格，此種網格計算過

6、程較容易，便于控制。首先對攪拌槽體即定子區進行網格劃分，網格間距為2。對于轉子區網格的劃分，由于靠近攪拌軸，攪拌速度較快，因此轉子區網格需較定子區的網格密，因此網格間距改為1，其他條件與定子區網格劃分的條件相同。最后如圖5所示為完成網格劃分的攪拌槽。圖5 攪拌槽網格圖（5）設定邊界條件1）攪拌器和攪拌軸都設為壁面WALL。即攪拌器Name設為jbq-w，Type選擇WALL；攪拌軸分為上下兩個區域，靠近攪拌器的區域的攪拌軸Name設為shaft-down，Type同樣選擇WALL；另一區域的攪拌軸Name設為shaft-up，Type同樣選擇WALL。2）攪拌槽底部和側面都設為WALL，Nam

7、e為jbc-w；攪拌槽頂部為自由液面，因此Type選擇SYMMETRY，Name為jbc-top。3）攪拌槽中定子區和轉子區的交接面為轉子區的外表面，此表面處為兩層面重合，因此選用Type為INTERFACE，Name分別為in-1，in-2，in-3，out-1，out-2，out-3，分別代表轉子區外側，轉子區上表面，轉子區下表面，定子區與轉子區交界面的側面，定子區與轉子區交界面的上表面，定子區與轉子區交界面的下表面。（7）定義實體區域如上文所述攪拌槽整體區域分為轉子區和定子區，因此需對其進行設置。將靜區域Name定為jing，動區域Name定為dong，Type都選為FLUID。（8）保

8、存Mesh文件，將網格輸出為為jbq.msh。專心-專注-專業2.3 Fluent求解計算以三維單精度( 3d )方式啟動Fluent，將在Gambit中建好的物理模型及網格導入Fluent求解器中，進行數值求解。具體求解步驟如下：（1）網格操作1）導入jbq.msh文件；在將網格導入Fluent后，必須對網格進行檢查，檢查最小網格體積是否小于0,以便確定是否可直接用于 CFD 求解。選擇 GridCheck 命令， Fluent會自動完成網格檢查，同時報告計算域、體、面、節點的統計信息。若發現有錯誤存在， Fluent會給出相關提示。2）設置計算區域的尺寸和單位制。Fluent默認的長度單位

9、為m,改為Gambit默認的單位mm；同時需把角速度angluar velocity的單位設置為rpm。3）依次點擊GridSwmooth/Swap Grid，分別點擊Smooth，Swap循環，直至Swap信息中出現Number faces swaps: 0為止；這步操作是對網格光順以及對等角傾斜度(skewness)高的地方交換網格以便于后面的運算。（2）模型設置1）求解器的選擇。因為后面所用的MRF為穩態處理法，假設流動是穩定的，轉子定子的作用效果是近似的平均，這種模型可用于轉子定子之間的只有微弱的相互作用，或只需要求系統的近似解的場合，因此選取默認的3維穩態求解器即可。2）選擇湍流模型

10、。選則k-epsilon2eqn，k-e模型是最簡單的完整湍流模型，是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度。在Fluent中，標準k-e模型自從被Launder and Spalding提出之后，就變成工程流場計算中主要的工具了。適用范圍廣、經濟、精度合理，所以它在工業流場和熱交換模擬中廣泛應用。k-e是個半經驗的公式，是從實驗現象中總結出來的，主要是基于湍流動能和擴散率。k方程是個精確方程，e方程是個由經驗公式導出的方程。k-e 模型假定流場完全是湍流，分子間的粘性可以忽略。標準 k-e 模型只對完全是湍流的流場有效。3）設置物料特性。為簡化模擬過程，本文中選用水為攪拌介質。4）操作

11、條件的設置。由于本計算的問題需要計及重力影響，故設定 Z 方向上的重力加速度分量值為-9.81。（3）設置邊界條件。由于應用 MRF 方法進行模擬，所以將轉子區內的流體設定與攪拌槳相同轉速進行旋轉，而定子區內的流體則是靜止的。槽內壁面定義為靜止壁面條件，攪拌軸及槳葉設為運動壁面，模型的自由液面處采用自由邊界條件。這里需對攪拌器、攪拌軸、定子區和轉子區分別進行設置。本文攪拌器轉速為，故需在時模擬計算。1）攪拌槽區域內的流體設置為水，因此在選擇過程中都選擇水為介質。2）定義攪拌器、攪拌軸、定子區、轉子區的邊界條件時，由于攪拌過程中都隨攪拌器旋轉，因此選擇Momentum 下選擇Wall Motio

12、n 中的Moving Wall，而轉子區中的攪拌器和攪拌軸運動條件的設置則是選擇Motion 下方的相對速度Relative to Adjacent Cell Zone 和轉動Rotational，保持Speed為0，即定義四葉渦輪攪拌器葉輪及轉子區的攪拌軸與鄰近的區城一起以300rpm的轉速同步轉動。定子區的攪拌軸選擇的運動條件是絕對速度Absolute和轉動Rotational，Speed為300rpm。3）在定義轉子區時需選擇Motion中Motion Type 為Moving Reference Frame，即啟用MRF 模型， 在Rotational Velocity的Speed里輸

13、入300，即轉子區內流體為水，且以300rpm的轉速在旋轉。在定義定子區時流動形式則選擇Stationary。4）除定義以上邊界之外，還要定義交界面。點擊DefineGrid Interfaces，選擇轉動轉子區與靜止定子區相交面（即在Gambit里定義的Interface邊界），設置3組即可，分別為in1-out1z1，in 2-out2z2，in 3-out3z3，這個設置是為了使兩個區域的數據能進行數據交換。（4）求解1）設置求解參數，本文基于穩態隱式分離求解算法，動量方程按一階迎風格式進行離散求解，壓力速度耦合項采用 SIMPLE 算法。2）對流場初始化，選擇從所有區域開始計算（Com

14、pute From all zones）。由于在穩態條件下求解流動場，因此設定初始條件為 0 。3）設定收斂殘差。將各變量的收斂殘差設為，并勾選 plot 選項打開繪制參數隨迭代次數變化的監視窗口。4）完成上述步驟的設置后，對文件進行保存，保存文件為jbq.cas。5）開始求解。設定迭代步數為1000，進行迭代計算，直至收斂。 6）設置觀測面。本次模擬觀測攪拌軸所在的Y-Z面、攪拌器所在的X-Y面上的攪拌速度云圖和速度矢量圖，設置X-Coordinate25及Z為觀測面。7）最后結果如圖所示。3 數值模擬結果分析四葉渦輪攪拌槳屬于比較簡單的開啟式渦輪攪拌器，排出性能較高，有利于液體的快速循環流

15、動，而剪切性能高能使流體間的速度梯度大，這都是攪拌過程所需要的。本文以攪拌槽的軸向縱截面為研究對象，在 時模擬計算，得到四葉渦輪攪拌器速度云圖和速度矢量分布圖。圖6 速度云圖從流場的模擬結果（圖6，以X-Coordinate25為觀測面）可以看出，攪拌器葉片射流處流體速度最高，隨著流動遠離葉片，速度逐漸降低，葉片噴射出的流體進入周圍大量低速運動的流體中，卷吸周圍流體，并沿軸向和徑向擴散。其中代表高速的為高亮度區域。高亮度區域的面積越大，速度云圖的分布范圍越廣，即說明攪動范圍越大，攪拌效果就越好。從對四葉渦輪攪拌器的云圖可以看出，攪拌器葉片附近高亮區域集中，證明攪拌器周圍流暢攪拌效果最好。對定子

16、區域部分攪拌效果的模擬不是特別理想，而且轉子區和定子區之間交界面明顯，分析原因可能是本次模擬過程中網格劃分不夠連續，網格質量不夠高導致。之后的研究可以進一步針對網格劃分進行。圖7 軸向速度云圖圖7為攪拌器的軸向速度云圖（以X-Coordinate25為觀測面），從圖中可以看出攪拌器下部靠近攪拌軸的區域，以及攪拌槽壁面附近流體的速度較高，這是由于葉輪推動液體時，流體先沿徑向運動，碰到攪拌槽避免后會分別向上向下流動，即沿軸向流動，從而導致攪拌槽附近的軸向速度較大，而向下流動的流體接觸到攪拌槽底部時會反轉卷吸到攪拌器的下部，從而造成攪拌器下部軸向速度的高亮區。圖8 徑向速度云圖從攪拌器的徑向速度云圖

17、（圖8，以Z為觀測面）中可以看出，在攪拌器的轉動下葉輪的頂部及葉片所夾區域的徑向流速較大，這說明在攪拌器的轉動下，攪拌器周圍及兩葉片間的物料混合效果較好。圖9 速度矢量圖從速度矢量分布（圖9，以X-Coordinate25為觀測面）可以看出，四葉渦輪攪拌器呈現出對稱的雙渦環流場結構，隔離區中心分別位于攪拌器的上下方，符合徑向流攪拌器特征。流體在葉輪出口處產生強烈的徑向運動，在槽的底部和上部各產生一個循環區。在葉輪區，即葉輪邊界所確定的區域，葉輪旋轉直接推動液體，形成主流，液流具有射流特征，卷吸周圍流體，周圍的流體稱為次流。中心速度隨徑向距離的增加而衰減，三個速度分量中以切向和徑向速度為主，軸向速度可以忽略。循環流區，由于主流的卷吸作用造成液體流動，總流量可達葉輪排出流量的幾倍。徑向速度很小，隨著遠離葉輪，愈以軸向運動為主。 從圖中可以看出槳葉下方靠近軸心區域流體出現反向流動，這一區域稱為誘導錐形區。速度矢量圖比較準確地反映了攪拌器流場的速度分布狀態，對以后的實驗有一定的參考意義。圖10 軸向速度矢量圖圖10為軸向速度矢量圖（以X-Coordinate25為觀測面），從圖中可以看出攪拌器下部速度較大，這是由于流體的卷吸作用造成的；攪拌器中心處軸向速度較小，沿著攪拌器的徑向軸向