沉淀攪拌槽三維流場數(shù)值模擬

錢皎龍， 雷澤勇

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

目前，鈾礦山用的沉淀攪拌槽的設(shè)計(jì)很大程度依賴經(jīng)驗(yàn)，按照這種傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出來的攪拌器經(jīng)常存在選用電機(jī)的功率過大、安裝高度不夠合理等問題。本文采用FLUENT14.5軟件對沉淀攪拌槽內(nèi)的三維流場進(jìn)行了模擬分析，并得出槳葉在不同離底高度下，攪拌軸所需要的功率，為攪拌器的設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本參數(shù)

某鈾礦山的沉淀攪拌槽為圓筒形，內(nèi)徑D為3000mm，筒體高為3 500 mm，槽內(nèi)均布4塊擋板，錨式攪拌器，攪拌轉(zhuǎn)速為34 r/min，變頻啟動(dòng)，常溫、常壓下進(jìn)行液-固兩相混合。液相是稀硫酸溶液，黏度為0.001 2 Pa·s，密度為1 102 kg/m3；固相為晶漿，密度為1 267 kg/m3，平均顆粒粒度為 12.88 μm，黏度為 0.04 Pa·s，體積分?jǐn)?shù)為 19.52%。攪拌槳離槽底高度h分別為300 mm、450 mm和600 mm。沉淀攪拌槽結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2 模擬過程

1.2.1 建立幾何模型

采用Pro/E三維建模軟件分別建立沉淀攪拌槽的靜區(qū)域和動(dòng)區(qū)域三維幾何模型，其中將攪拌槳及附近區(qū)域設(shè)為動(dòng)區(qū)域，攪拌槽內(nèi)動(dòng)區(qū)域之外的區(qū)域設(shè)為靜區(qū)域，并把做好的幾何模型以IGS格式導(dǎo)出。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

將在Pro/E中做好的模型導(dǎo)入到Gambit2.4中，本文采用混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。兩個(gè)區(qū)域劃分網(wǎng)格的疏密程度不同，由于動(dòng)區(qū)域能夠反映攪拌器性能及攪拌效果，因此對其進(jìn)行加密處理，靜區(qū)域的網(wǎng)格劃分相對粗糙一些［1-2］，最后得到的靜區(qū)域和動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)見表1。

圖1 沉淀攪拌槽結(jié)構(gòu)示意圖

表1 動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域網(wǎng)格數(shù)

1.2.3 求解設(shè)置

在FLUENT14.5軟件中求解設(shè)置如下：

壓力-速度耦合使用SIMPLE算法，差分格式采用一階迎風(fēng)，湍流域采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，Eulerian多相流模型［3-4］。

2 流場分析與討論

攪拌轉(zhuǎn)速為34r/min，攪拌槳離底高度分別為300mm、450 mm和600 mm時(shí)，用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬得出的速度矢量圖見圖2，速度云圖見圖3。

從圖2可以看出，在中心軸、槳葉和加強(qiáng)筋之間所圍成的區(qū)域，流體均向中心軸流動(dòng)，碰到中心軸后向內(nèi)流動(dòng)，由于該區(qū)域在垂直平面上是一個(gè)封閉的空間，流體之間存在相互干擾，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的流體流速相對較低，造成能量浪費(fèi)，且不利于混合；在加強(qiáng)筋的流體在槳葉區(qū)加速后，以射流的形式向槽壁和擋板撞擊，流體撞擊槽壁和擋板后，沿著槽壁和擋板向上流動(dòng)，到達(dá)液面附近后再向下流回槳葉區(qū)，形成一個(gè)大的循環(huán)流動(dòng)場，該區(qū)域有利于混合。

圖2 不同離底高度的速度矢量圖

從圖3看出，在加強(qiáng)筋上部靠近中心軸附近區(qū)域的流體流速很小，形成了流動(dòng)死區(qū)，該區(qū)域隨著攪拌槳離底高度的增加而變大。圖3（c）中的流體流速大的范圍比圖3（a）、圖 3（b）要大，說明在攪拌槳離底高度為 600 mm時(shí)，即滿足h/D=0.2（h為攪拌槳離底高度，D為攪拌槽直徑）條件時(shí)，該區(qū)域的攪拌效果最好。在中心軸、加強(qiáng)筋和槳葉圍成的區(qū)域，靠近中心軸附近的流體流速較低，形成流動(dòng)死區(qū)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小該區(qū)域，該區(qū)域隨著攪拌槳離底高度的增加而變小；當(dāng)攪拌槳離底高度為600 mm時(shí)，即滿足條件h/D為0.2時(shí)，循環(huán)效果最好。攪拌槳正下方存在一個(gè)錐形區(qū)域，流體的流速較低，形成流動(dòng)死區(qū)，漿體極易在此處堆積，起不到混合效果，且對比可知，攪拌槳離底高度越高，該區(qū)域越大。

圖3 不同離底高度的速度云圖

3 功率計(jì)算

錨式攪拌器消耗的功率可以通過下式求得［5］：

式中：M 為扭矩，N·m；ω 為角速度，rad/s；N 為攪拌轉(zhuǎn)速，N=34 r/min。通過FLUENT軟件計(jì)算得到攪拌軸的扭矩M，然后再通過式（1）計(jì)算出攪拌槳在不同安裝高度下的功率值。計(jì)算結(jié)果見表2。

通過表2可知，當(dāng)攪拌槳離底高度為450 mm時(shí)，消耗的功率最大，當(dāng)高度為600 mm時(shí)，消耗的功率最小。對比文獻(xiàn)［6］中依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取攪拌槽攪拌功率為5.5～7.5 kW，本文模擬的沉淀攪拌槽更大，且攪拌轉(zhuǎn)速更高，計(jì)算得到的功率不大于5.7 kW，且通過內(nèi)蒙某鈾礦山現(xiàn)場論證，該型號的沉淀攪拌槽能正常運(yùn)行，說明通過數(shù)值模擬相比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠取得更優(yōu)的結(jié)果。

表2 攪拌槳離底不同高度的扭矩

4 結(jié)論

1）錨式攪拌器在攪拌槽中所產(chǎn)生的流型主要為軸流型，由于中心軸下方存在近似錐形的流動(dòng)死區(qū)，將會(huì)導(dǎo)致漿體顆粒在該位置大量堆積。另外加強(qiáng)筋與槳葉相連的區(qū)域也存在流動(dòng)死區(qū)，容易造成漿體顆粒在此聚集。為提高混合效果，建議在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的條件下，可以將兩邊的加強(qiáng)筋去掉。

2）通過對數(shù)值模擬結(jié)果的比較可知，該類型攪拌槳的安裝高度對攪拌軸所消耗功率的影響不大，再綜合考慮流動(dòng)死區(qū)的大小，建議在設(shè)計(jì)該類型攪拌槳時(shí)，槳葉離底高度可以適當(dāng)取大些，有利于減小流動(dòng)死區(qū)，提高混合效果。

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［2］ 梁瑛娜，高殿榮.雙層直斜葉及其組合槳攪拌槽三維流場數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（11）：290-297.

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