渦輪式攪拌釜數值模擬

張瑞　李宣　周振　張景坡　劉星

摘 要：渦輪式攪拌釜結構簡單，廣泛用于微生物與細胞培養過程中。本文通過CFD對渦輪式攪拌釜進行數值模擬，分析其內部流場的流動狀態。模擬結果表明，在轉速為100r/min條件下，渦輪式攪拌釜槳葉區域流體的最高速度為3.1m/s，釜內流場為徑向流，產生大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主；

關鍵詞：渦輪式；CFD；攪拌功率

攪拌釜式生物反應器廣泛應用于微生物和細胞培養以及發酵過程中[1]。該結構比較簡單，但不同槳葉形式的攪拌釜內部流場卻很復雜。徑流型攪拌器具有極強的徑向排量及分散能力等優點。渦輪式槳葉是攪拌釜式生物反應器中常用的槳葉形式，但哪種槳葉形式更符合生物反應器的生產要求，現有的設計方法大都依靠運行經驗的積累，精度較差[2-3]。因此掌握不同攪拌攪拌釜內流體的流動特性以及功率特性對攪拌釜的工程應用、優化設計等具有重要意義。本文通過CFD數值模擬對渦輪式攪拌釜內部流場進行分析，不但節省了大量實驗和計算的工作，還可以準確的得到推進式和渦輪式攪拌釜各自的攪拌特性。

攪拌效果好，能耗小是攪拌設備追求的目標[4-5]。對攪拌釜而言，攪拌能耗以攪拌功率為指標，因此本文通過CFD分別對推進式和渦輪式攪拌釜進行數值模擬，對比推進式槳葉和渦輪式槳葉在能耗和剪切力方面的混合特性，從而分析槳葉所適用的范圍。

1 攪拌釜模型與模擬方法

本文針對渦輪式攪拌釜進行分析，結構如圖1所示。釜體結構相同，釜徑為2.8m，高4.5m，槳徑為1.2m，釜壁設置6個擋板，底部用圓盤封底。

應用前處理器軟件Gambit對模型進行網格劃分，槳葉相對于釜體來說結構相對復雜，因此攪拌釜內的網格劃分采用結構化和非結構化相結合的方法，動子區采用非結構化的網格，槽內其他區域應用合理的分區方法采用結構化網格。

2 模擬結果與分析

2.1 速度矢量分布和漩渦分布

攪拌轉速都為100r/min的條件下對渦輪式攪拌釜釜內流體速度進行數值模擬。如圖2所示。

由圖3可知，在相同轉速下，渦輪式攪拌釜在攪拌槳葉區域流體的速度較高，最高速度為3.1m/s；在遠離槳葉的區域，渦輪式攪拌釜釜內流體的速度范圍差異較小。就漩渦分布而言，如圖（a）所示，對于渦輪式攪拌釜，徑向渦流較多，在兩層槳葉之間有大湍流形成，在上層攪拌槳葉的上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產生，大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主。

2.2 攪拌功率

對渦流式攪拌釜進行攪拌功率的模擬，模型相同的情況下，攪拌轉速為100r/min、110r/min、120r/min、130r/min時，攪拌功率如圖3所示。

隨著轉速的額提高，渦流式攪拌釜的攪拌功率也增大，這是由于槳徑一定的情況下，轉速越高，力矩越大，攪拌功率越越大。在轉速140r/min時，攪拌功率為8524w。在轉速100r/min時，攪拌功率為3975w。

3 結論

（1）渦輪式攪拌釜槳葉區域流體的最高速度為3.1m/s，對于渦輪式攪拌釜，徑向渦流較多，在兩層槳葉之間有大湍流形成，在上層攪拌槳葉的上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產生，大渦流有利于軸向混合，小渦流主要以徑向流為主。

（2）隨著轉速的額提高，渦流式攪拌釜的攪拌功率也增大在轉速140r/min時，攪拌功率為8524w。在轉速100r/min時，攪拌功率為3975w。

參考文獻

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[3] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

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[5] Tao Chen，Le-Qin Wang，Da-Zhuan Wu.Investigation of the mechanism of low-density particle and liquid mixing process in a stirred vessel [J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，2012，90（4）：925-935.