通氣式中心龍卷流攪拌槽內氣 - 液兩相流的混合特性

翟 甜，郝惠娣，秦 佩，馮榮榮，馬 騰

（西北大學化工學院，陜西 西安 710069）

氣液兩相攪拌槽在化工、冶金、食品等工業中有很廣泛的應用。氣-液分散攪拌操作的目的是把通入攪拌槽中的氣體進行分散，增大單位體積液體中的兩相接觸面積，從而提高傳質速率，加快反應進行[1]。隨著計算流體力學（CFD） 的飛速發展， 數值分析方法已經成為化工裝備行業研究的重要手段之一。國內外已經有許多學者對攪拌器的流體力學性能和傳熱性能進行了數值研究[2~4]。

本文利用ANSYS 軟件中CFX流體分析及仿真的方法，對通氣式中心龍卷流攪拌槽內氣液兩相流的混合特性進行數值模擬，定性的分析了開孔形式對混合流場的影響。研究結果對氣液攪拌槽的優化的優化設計及工業放大應用有一定的實際意義。

1 模型建立

1.1 建立攪拌槽模型

圖1 攪拌槽模型Fig.1 The model diagram of single impellers mixing tank

攪拌槽模型為底板帶有對數螺旋線，底盤直徑為300mm，高450mm，底盤和外殼的厚度均為5mm，槳葉類型為拋物線的攪拌槽。單通氣管和雙通氣管的內徑均為5mm，如圖1所示。圖2為拋物線槳葉的物理模型，圖3是帶有對數螺旋線攪拌槽底盤。

圖2 拋物線槳葉Fig.2 parabolic impeller

圖3 底盤Fig.3 the bottom of shell

1.2 網格劃分

ANSYS的網格劃分采用平臺，采用的是“分解并克服（Divide and Conquer ）”的策略，主要有：自動劃分網格法；四面體劃分網格法；掃略法；多域法；Hex Dominant 法。從計算量、網格生成難易程度、收斂性三方面考慮，采用四面體網格劃分方法網格劃分，對網格數量進行優化，得到網格的無關解。對槳葉、導流板進行網格細劃分，以便更好的捕捉其附近的流動特性。并且在所有壁面處應用Inflation[5~7]這一網格特性，以保證壁面處的速度梯度變化不至于太大。圖4、圖5分別為槳葉網格圖和導流板網格圖。

圖4 槳葉的網格劃分Fig.4 the mesh of impeller

圖5 導流板的網格劃分 Fig.5 the mesh of deflector

1.3 邊界條件

根據攪拌器的結構特點和流體流動的性質，定義邊界條件如下：因為氣體從管中進入從Opening處流出，因此Opening形式設為Outlet。將固—液界面處定義為無滑移固壁邊界，即粘性流體粘附在固體壁面上[8]。攪拌軸的轉速為300r·min-1，氣體速度設為5m·s-1。收斂條件：收斂殘差＜ 10-4。

2 數值模擬

模擬過程采用控制容積發，利用 Rhie-Chow算法避免發生振蕩。壓力- 速度的耦合求解采用SIMPLEC 算法，對流項的離散采用混合 - 上風差分格式。收斂準則為RMS，將質量、動量和湍流方程的收斂殘差定為1×10-4，設置一定的迭代步數，進行迭代計算，直至質量、動量和湍流方程收斂。采用多重參考系法（MRF）來解決運動槳葉和靜止導流板之間的相互作用。MRF將求解域分為內部旋轉域和外部靜止域。內部旋轉域包括運動的槳葉及其附近的流體，在旋轉坐標系求解連續方程和動量方程，外部靜止域包括靜止的導流板和槽體及管壁伸進槽體的部分，在靜止坐標系下求解連續方程和動量方程式。在兩個域交界面通過插值來實現質量、動量和能量交換。

2.1 單通氣管的數值模擬及分析

氣體從單通管以5 m·s-1的速度進入，從氣體的速度矢量圖（圖6）可以看出，氣體進入后，從槳葉下面，沿壁面向上流動，到達頂面后，沿攪拌軸向下流動。

圖6 單通氣管氣體的速度矢量圖Fig.6 The velocity vector of air

液體在拋物線型槳葉攪拌槽內，給定轉速為300 r·min-1，在高速旋轉時，槳葉對其附近的流體產生擠壓作用，在重力作用下，槳葉區流體的軸向流動較強而沿軸上、下流動。從圖7可以看出，在槳葉的上下區域，液體形成2個漩渦。

圖7 單通氣管液體的速度矢量圖Fig.7 The velocity vector of fluid

2.2 雙通氣管的數值模擬及分析

在2個彎管處，氣體同樣以5m·s-1的速度進入，從圖8氣體的速度矢量圖可以看出，氣體沿2個彎管，順著壁面，從下往上流動。到達頂部的時候，沿著攪拌軸向下流動，形成2個漩渦。

圖8 雙通氣管氣體的速度矢量圖Fig.8 The velocity vector of air

圖9 雙通氣管液體的速度矢量圖Fig.9 The velocity vector of fluid

同樣給定拋物線型槳葉的速度為300r·min-1，從圖9液體的速度矢量圖可以看出，在槳葉的高速旋轉下，液體在槳葉的上部形成很明顯的2個漩渦；同樣在導流板附近的區域內，液體向上流動，與槳葉附近的流體混合，在槳葉下部區域形成一定的渦流。

2.3 單通管與雙通氣管的比較

從模擬的結果和以上的分析可以看出，對于中心龍卷流型攪拌槽，流體流動主要以軸向流為主，整個流體域基本處于循環流的影響范圍，在槳葉的上緣葉尖處流速最大，并且帶有較強的軸向分量，全槽返混狀態良好，速度基本均勻，能實現較好的攪拌效果，有利于物料的混合或懸浮。

在同樣的氣體轉速和槳葉轉動速度下，雙通氣管的攪拌槽模擬效果比單通氣管的模擬效果好，氣液混合效果好。而且在導流板的帶動下，雙通氣管形成的渦流較單通氣管的好，這樣可以使氣體與液體混合得更充分。

3 結語

采用RNG k -ε湍流模型，多重參考系法（MRF），對攪拌槽內單向流動進行了數值模擬，可得：

（1）中心龍卷流攪拌槽，在導流板的的引導作用下，在槽底表面形成向心流，進而，在槽中心部位形成螺旋上升的龍卷流，然后在回到葉輪區，如此形成全槽范圍的單循環流。

（2）單通管的攪拌槽，在通入氣體后沿槽壁向上流動，到達頂部回流到攪拌軸附近，形成渦流，液體在攪拌軸的附近形成漩渦。

（3）雙通氣管的攪拌槽，在通入氣體后，沿槽壁向上流動，回流到槳葉附近區域。液體在攪拌軸附近產生徑向流，形成2個很明顯的漩渦。

（4）雙通氣管的攪拌槽比單通管的攪拌效果好，能使氣體和液體充分的混合，對攪拌槽的優化設計及工業放大效應有一定的實際意義。

[1] 張和照.氣 - 液分散攪拌強度探討[J].化工設計，1998，（2）：23.

[2] 陳紅生，何雄志.結晶罐攪拌流場及傳熱過程的數值模擬[J].輕工機械，2010，28 （4）：26-29.

[3] Zhang Minge, Zhang Lühong, Jiang Bin, et al. Calculation of metzner constant for double helical ribbon impeller by computational fluid dynamic method[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2008，16 （5）： 686-692.

[4] Niedzielska A , Kuncewicz C. Heat transfer and power consumption for ribbon impellers mixing efficiency.

[5] Jean-Philippe,Torre', David F. Fletcher,et al.An experimental and computational study of the vortex shape in a partially baffleid agitated vessel [J]. Chemical Engineering Science,2007，62：1915-1926.

[6] F.Scargiali,A.D'Orazio,F. Grisafi, et al. MOD-ELLNG AND SIMULATION OF GAS-LIQUID HYDRODNAMICS IN MECHANICALLYSTIRRED TANKS[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2007，A：637-646.

[7] J.P. Torre', D. F. Fletchet, T. Lasuye, et al. Transient Hydrodynamics and free surface capture of an under baffled stireed tank during stopping[J]. Chemical Engineering Research and design, 2007，A：626-636.

[8] 謝龍汗，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業出版社，2011.145.