兩種不同擋板的雙層槳攪拌槽三維流場數值模擬

施陽和 趙 進

(華東交通大學機電工程學院)

攪拌是過程工業(yè)中常見的單元操作之一，在冶金、化工、生物、制藥以及廢水處理等行業(yè)中應用非常廣泛[1]。在攪拌槽中旋轉的攪拌槳與固定擋板的相互作用，使槽內的流動呈復雜的準周期性三維非穩(wěn)態(tài)湍流特性[2]。侯拴弟等對單層渦輪槳攪拌槽內的流動場進行了數值模擬研究[3]。Javed K H等用滑移網格法法對六直葉渦輪攪拌槳的混合時間進行了模擬[4]。朱向哲等利用計算流體力學軟件，采用標準k-ε紊流模型，分析了非穩(wěn)態(tài)情況下雙層渦輪槳攪拌槽內流體的三維紊流流場、紊流動能和能量耗散，討論了不同槳間距對流場、紊流動能和能量耗散的影響[5]。

不同擋板的攪拌槽的性能和用途各不一樣。近年來出現的指形擋板、橢圓截面擋板、凹形擋板、半釜擋板以及扭轉元件擋板等都是針對不同的混合目的滿足其攪拌要求。隨著計算流體力學(CFD)理論和計算機技術的發(fā)展，CFD仿真成為研究流場變化的有效方法[6]，CFD為流場分析、計算和預測提供了一種建模工具[7]。筆者采用CFD軟件Fluent，選取多重參考系法和標準k-ε湍流模型對三角形擋板和長方體空心擋板兩種雙層斜直葉槳攪拌槽在水中產生的流場進行了數值模擬，并且分析了兩種攪拌槽的軸向速度、徑向速度和周向速度。

1 攪拌槽模型

筆者研究的攪拌槽為圓筒形，其實際尺寸為：直徑D=3800mm，總高度H=3800mm，圓柱高度H1=3000mm，液面高度H2=2500mm，攪拌軸直徑d1=120mm。采用斜直葉槳葉輪，直徑d2=1750mm，底部槳葉距圓柱體底圓面高度C1=280mm，頂部槳葉距圓柱體底圓面高度C2=1780mm。

三角形擋板寬度b1=360mm,內角α=60°；長方體空心擋板寬度b2=400mm，厚度bd=300mm，空心寬W=180mm,高h1=1600mm，兩種擋板安裝在距離槽體表面邊緣L=400mm。

如圖1所示為兩種不同擋板的攪拌槽模型，圖1a為三角形擋板攪拌槽，圖1b為長方體空心擋板攪拌槽。

a.三角形擋板

b.長方體空心擋板

2 流場分析

2.1邊界條件設定

將攪拌槽模型導入Gambit軟件中，采用非結構化三角形劃分其網格，為了保證計算精度和加快計算速度，流動區(qū)域和靜止區(qū)域設置網格尺寸大小都為60mm，網格的總數約為90萬。采用CFD軟件Fluent，選取多重參考系法對其流場進行數值模擬[8]。根據流動的對稱性劃分了3個區(qū)域，即相對靜止區(qū)域和流動區(qū)域：將兩個圓柱體區(qū)域劃分為兩個葉輪轉動流動區(qū)域swirl1和swirl2，這個兩個區(qū)域為旋轉的動區(qū)域，動區(qū)域圓柱體直徑db=1800mm，高hb=560mm；除去流動區(qū)域和擋板的區(qū)域設置為相對靜止區(qū)域stationary。

2.2模擬分析

2.2.1x=0平面速度場

圖2是攪拌槽在x=0處的軸向平面速度矢量圖。由圖2可知，在上下兩個槳葉區(qū)里，軸向速度基本向上，近壁處則向下流動，兩層槳之間的流場雖然略顯混亂，但仍可看出軸向速度占優(yōu)勢。由雙層槳攪拌的流場分別在兩層槳的下方各形成一個較大的軸向流動的循環(huán)渦環(huán)，左邊的渦環(huán)循環(huán)的方向是逆時針，右邊的渦環(huán)循環(huán)方向是順時針。

a.三角形擋板 b.長方體空心擋板

由圖2a可知，兩層槳葉間的區(qū)域在底部槳葉周向運動的帶動下，在兩個漩渦的交接處產生了徑向向運動，而在圖2b中則不明顯，說明在三角形擋板中底部槳葉運轉帶來的湍流比長方體空心擋板要強烈一些。

2.2.2y=0平面速度場

圖3是攪拌槽在y=0處的軸向平面速度矢量圖。由圖3可知，兩層槳葉之間的區(qū)域以徑向運動為主，并且三角擋板對徑向運動影響較為劇烈，徑向速度較大。在y=0的軸平面，整個流場仍然是在兩層槳葉區(qū)域形成了兩個較大的渦環(huán)，左邊區(qū)域流場為逆時針運動，右邊區(qū)域流場為順時針運動，有利于攪拌槽中流體的能量交換和物料的混合。

a.三角形擋板

b.長方體空心擋板

從圖3b可以看到，在攪拌槽內形成了很多個小漩渦，這是由于液體軸向運動引著槽壁向上，在頂部槳葉的運轉下改變方向而產生渦旋，而圖3 a產生較少。軸向速度使液體從底到頂翻轉運動，起到主要的混合作用，在兩層槳葉之間則主要以徑向運動為主。

2.2.3z=0平面速度場

z=0區(qū)域位于下層槳葉的下面區(qū)域，圖4是在z=0處的軸向平面速度矢量圖。從圖4中可以發(fā)現：流體速度分布較為均勻，速度值較小，而徑向速度不明顯；擋板對z=0處的速度矢量影響不大，周向速度為逆時針方向。不同擋板對流體速度還是有影響的，三角形擋板攪拌槽產生較小的漩渦，長方體空心擋板攪拌槽產生稍大的漩渦。從圖4b中很清晰可以看到3個漩渦，而圖4a中的漩渦很小或不太明顯。漩渦的產生不利于攪拌的混合，消耗功率也大。

a.三角形擋板

b.長方體空心擋板

3 時均速度分析

筆者主要分析兩種擋板的攪拌槽在x=1000mm、y=0、z從-300～2 500mm的直線上的軸向速度、徑向速度和周向速度。規(guī)定其軸向速度與z軸的正方向相同時為正，反之為負；徑向速度由攪拌槳指向槽壁方向為正，反之為負；周向速度與旋轉方向相同為正，反之為負。

3.1軸向速度分析

圖5是兩種攪拌槽的軸向速度分布曲線。由圖5可知，其軸向速度大部分在零以上，說明攪拌槽中流體的軸向速度方向大部分是向上的。軸向速度的最大區(qū)域主要處于攪拌槳區(qū)域，而最大值則產生在頂部槳葉的上面臨近位置，第三個波谷的產生是由于流體的重力產生的，使速度逐漸降低至液面為零。從軸向速度來分析，三角擋板對軸向速度作用比長方體空心擋板大。

a.三角形擋板

b.長方體空心擋板

3.2徑向速度分析

圖6是兩種攪拌槽的徑向速度分布曲線。由圖6可知，兩個擋板對攪拌槽的影響變化非常相似，而且在底部槳葉的下區(qū)域，兩槳葉之間的區(qū)域和頂部槳葉的上區(qū)域都有一個平面區(qū)域的徑向速度為0，說明在這個平面區(qū)域內流體的正負徑向速度相互抵消。對于攪拌槽中物料的攪拌效果來說，速度變化大有利于物體的混合攪拌。從徑向速度曲線來分析，長方體空心擋板對攪拌槽的作用要比三角形擋板的作用好。

a.三角形擋板 b.長方體空心擋板

3.3周向速度分析

圖7是兩種攪拌槽的周向速度分布曲線。由圖7可知，長方體空心擋板的的周向速度比三角形擋板攪拌槽的波動幅度小一些，并且速度分布也較大。三角形擋板攪拌槽在這個區(qū)域變化幅度較大，速度的改變較大，而平均數值也較空心擋板小。從結構上分析可以說明長方體擋板有利于流體的周向運動，擋板的阻礙作用較小。

a.三角形擋板 b.長方體空心擋板

4 結論

4.1兩擋板的流場結構均為環(huán)流動模式, 從徑向的平面區(qū)域可以觀察到最大速度值并不在葉輪射流的主流區(qū)，而是位于槳葉的葉端處，即射流的邊緣處。

4.2由于三角形擋板是實體，有利于加強流體的對流擴散以及軸向液體的對流運動，從而有利于在擋板的下端位置產生較大流體擴散運動。而由于長方體空心擋板的中間是空的，有利于疏導流體的周向運動，從而減輕徑向速度和軸向速度，減少了流體在攪拌槽中的上下對流擴散。

4.3通過攪拌槽的流場分析可知，增加軸向流動有利于對流體的混合，長方體空心擋板的攪拌槽更有利于攪拌，并且長方體擋板的周向速度相對其三角形擋板較平緩。

4.4通過時均速度分析可知，長方體空心擋板是更有效的擋板，有利于提高攪拌效率，并且周向速度是使流體在攪拌槽內作周向運動，較大的周向速度并不有利于攪拌混合，反而會增加攪拌功率。

[1] 楊鋒苓，周慎杰.攪拌槽內單相湍流流場數值模擬研究進展[J].化工進展，2011,30(6):1158～1169.

[2] Kresta S.Turbulence in Stirred Tanks:Anisotropic,Approximate and Applied[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,1998,76(3):563～576.

[3] 侯拴弟，張政，王英琛，等.渦輪槳攪拌槽流動場數值模擬[J].化工學報，2001, 52(3): 241～246.

[4] Javed K H,Mahmud T,Zhu M J.Numerical Simulation of Turbulent Batch Mixing in a Vessel Agitated by a Rushton Turbine[J].Chemical Engineering and Processing,2006,45(2):99～112.

[5] 朱向哲，苗一，謝禹鈞.雙層渦輪攪拌槳三維流場數值模擬[J].石油化工設備, 2005, 34(4): 26～29.

[6] 郭素娜,孫立軍,方艷,等.導流件和葉輪強作用渦輪流量計的CFD仿真方法[J].化工自動化及儀表,2013,40(10):1276～1280.

[7] 孟慶龍,官燕玲,謝安生.基于CFD的系統(tǒng)辨識方法[J].化工自動化及儀表,2011,38(9):1054～1058.

[8] 孫冬冬，王小芳.疏水締合聚丙烯酰胺溶解槽內流固混合特性的數值模擬[J].化工機械,2013,40(2): 193～197.