基于Fluent的攪拌槳數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

詹民民 俞經(jīng)虎 代 欣

(1. 江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

基于Fluent的攪拌槳數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

詹民民1,2俞經(jīng)虎1,2代 欣1,2

(1. 江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

針對固-液兩相流物料攪拌機，運用計算流體動力學(xué)數(shù)值方法，通過RNG-湍流模型、歐拉多相流模型進行數(shù)值仿真，在攪拌葉片安裝間距和攪拌臂長度不同的攪拌槳作用下，分析臥式粉料攪拌機攪拌槽內(nèi)的流場分布以及固體相的體積分數(shù)分布情況。基于數(shù)值模擬結(jié)果，選擇合適的攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)，可為進一步的優(yōu)化提供理論參考。

攪拌機；攪拌槳；體積分數(shù)；兩相流；Fluent

粉料混合攪拌機是糧食加工的關(guān)鍵設(shè)備之一[1-2]。目前，粉料攪拌機的設(shè)計主要依賴經(jīng)驗設(shè)計的方法，難以預(yù)測攪拌性能。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算流體力學(xué)(CFD)研究攪拌槽內(nèi)的流動特性和粉料混合效果逐漸受到重視。Micate等[3-4]基于歐拉多相流模型研究了攪拌槽內(nèi)的固體顆粒分布規(guī)律并與試驗進行對比；Kasat等[5]通過建立CFD模型使固-液攪拌器攪拌過程可視化并研究了固體顆粒對液相混合過程的影響；張少坤等[6]研究了攪拌槳高度對流場結(jié)構(gòu)和功耗的影響；袁煬等[7]研究了高剪切混合罐內(nèi)物料的流動情況，湍流靜能與能量耗散率的分布，流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系；嚴宏志等[8]針對臥式雙軸攪拌器的均質(zhì)混合，分析了不同工況對混合效果的影響，以及攪拌功率、攪拌效率和葉片沖刷磨損率的變化規(guī)律。然而，攪拌機細微的結(jié)構(gòu)變化對混合效果的影響還不被學(xué)者們重視，針對攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)小范圍的變化和攪拌效果的對應(yīng)關(guān)系的研究尚未見到。

本研究以國內(nèi)某工廠制造的某型號飼料攪拌機為對象，擬改變攪拌機構(gòu)中攪拌槳葉的安裝間距和攪拌臂的長度建立不同的數(shù)值分析模型，針對固-液兩相流混合物，將流體動力學(xué)方法應(yīng)用于粉料攪拌機的攪拌效果研究，對比分析在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下流場的混合特性以及對攪拌效果的影響，研究結(jié)果有助于改善物料混合的均勻性，減少物料殘留區(qū)域，對進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。

1 網(wǎng)格模型的建立

基于某型號的攪拌機，在攪拌槽的流場數(shù)值模擬中，采用簡化模型(見圖1)，模型各參數(shù)如下：攪拌筒的長度L=2 000 mm，攪拌室最大直徑R=920 mm，攪拌臂長度l=630 mm，攪拌葉片的軸向分布間距d=288 mm，葉片安裝角度γ=45°，攪拌槳安裝相位角η=60°，攪拌葉片厚度s=10 mm。 模擬分析轉(zhuǎn)子不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響，需要針對不同參數(shù)的轉(zhuǎn)子單獨進行網(wǎng)格劃分。在本研究中，針對攪拌臂的長度l和攪拌葉片的間距d進行變參數(shù)分析，在攪拌機實際模型l=630 mm和d=288 mm的基礎(chǔ)之上，考慮到轉(zhuǎn)子不與攪拌筒壁面發(fā)生干涉，在上述兩參數(shù)附近進行取值，詳細參數(shù)見表1。攪拌漿距離對比見圖2，攪拌臂長度對比見圖3。

考慮到攪拌葉片的厚度為10 mm，設(shè)置單元的基本尺寸為15 mm。將劃分好的攪拌槳2D網(wǎng)格(共有9個網(wǎng)格模型)以及攪拌槽壁2D網(wǎng)格裝配，并在此基礎(chǔ)上分別生成3D單元。其中M630_288模型網(wǎng)格劃分效果見圖4、5。網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為547 237，3D單元數(shù)量為2 905 659，經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求。

2 攪拌槽流場模擬

計算使用軟件是FLUENT 14.5，根據(jù)攪拌過程的湍流特性，采用雙方程的標準k-ε模型[9-11]。同時，由于模型網(wǎng)格數(shù)量級較大，流動場的計算采用多重參考系法(MRF)。將飼料攪拌機的混合模擬工作介質(zhì)簡化為固—液兩相流，定義第一相為24 ℃下的標準液態(tài)水，密度為998.2kg/m3、黏度為0.914 2mPa·s；第二相為自定義屬性的顆粒固相，將固相簡化為面粉顆粒，查閱相關(guān)文獻[12-13]可知面粉密度為750kg/m3、黏度取383.4mPa·s、平均顆粒直徑5μm、初始體積分數(shù)為10%。

設(shè)定邊界條件：模擬在封閉的攪拌槽內(nèi)的流動特性，流體區(qū)域和攪拌槳的接觸面表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度為78rad/min；動流體區(qū)域與靜止流體區(qū)域設(shè)置一對Interface交界面；其余為固定壁面邊界，采用標準壁面函數(shù)；流場初始化之后求解并進行后處理。

3 結(jié)果與分析

飼料攪拌機的攪拌過程，本質(zhì)上來說是一個混合過程，使固體顆粒在液相中均勻懸浮，混合的過程又與流場的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[11]。攪拌槳在旋轉(zhuǎn)過程中把機械能傳遞給流體，在攪拌槳附近形成高湍流動能的充分混合區(qū)域，并產(chǎn)生高速射流推動液體在攪拌容器內(nèi)不斷地循環(huán)流動，由此產(chǎn)生全流動域范圍內(nèi)的擴散運動。本試驗研究的固—液混合兩相流攪拌物料，主要針對速度場以及固體顆粒相的體積分數(shù)進行模擬，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時為攪拌機確立合適的設(shè)計參數(shù)。

3.1 速度場分布

在主軸的作用下攪拌槳以一定的速度在流場中做圓周運動(此圖的順時針方向)，在角速度不變的情況下，攪拌槳上任意一點的線速度大小與其到旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比，而攪拌槳的轉(zhuǎn)動會帶動周邊流體形成一定的流型。因此攪拌槽外圍流體的速度會高于內(nèi)圍流體速度，通過理論和模擬的對比一定程度上可以驗證數(shù)值結(jié)果的可靠性：

(1) 數(shù)值模擬過程中的角速度：n=78 rad/min。

(2) 攪拌槳最外點到旋轉(zhuǎn)中心的距離：d=880 mm。

理論值與云圖中的數(shù)據(jù)基本吻合，如圖6、7所示，在誤差允許范圍內(nèi)。同時可以看到，在攪拌葉片附近形成了一定強度的紊流區(qū)域，在葉片的帶動下，此區(qū)域速度梯度較大；在攪拌槽的入口處由于空間較大，攪拌葉片離攪拌槽壁面相對較遠，會在這個區(qū)域形成若干低速度場，減弱攪拌的效果；在攪拌槽的頂部和側(cè)壁的交界處也存在相同的低速度區(qū)域。

3.2 固體相體積分數(shù)分布

為了進一步研究兩相流混合物料的攪拌均勻程度，就固體顆粒相的體積分數(shù)進行分析。針對不同的攪拌機結(jié)構(gòu)沿Z方向的直線L1從A1(0.487 7，0.792 0，0.000 0)到A2(0.487 7，0.792 0，2.000 0)以及Y方向的直線L2從B1(-0.244,-1.000,1.000)到B2(-0.244,1.000,1.000)做出體積分數(shù)分布曲線圖。

圖8、9給出了在不同的參數(shù)下，固體顆粒沿著線L1和L2的體積分數(shù)分布曲線圖。

分析可知：臥式攪拌結(jié)構(gòu)由于攪拌葉片是曲面造型(螺旋面)，在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生一個沿著軸線方向的流場，在一定程度上使物料向Z軸負方向集中，所以會使Z軸負方向的固相體積分數(shù)比Z軸正方向稍大。同時，Y軸正方向?qū)?yīng)加料空間，綜合速度場分析可知這一區(qū)域混合效果弱、流動速度小，會造成固體顆粒在離心力的作用下聚集在這個區(qū)域使顆粒體積分數(shù)上升。

在離心力的作用下，固體顆粒會向外圍堆積，導(dǎo)致了沿線L1上的固體顆粒體積分數(shù)比理論值(10%)偏小(因為數(shù)據(jù)線L1位于動區(qū)域內(nèi)部)；沿線L2上的固體顆粒體積分數(shù)在Y軸的兩端比Y軸中間段更大也更加趨向于理論值；并且，在兩端攪拌槽壁面的阻擋下，會使周邊區(qū)域的體積分數(shù)有明顯的升高。

圖10和圖11分別表示了在不同模型沿Z方向(旋轉(zhuǎn)軸方向)和Y方向(重力方向)上的固相體積分數(shù)，可以看到隨著攪拌臂長度的減小，攪拌作用的平均體積分數(shù)增大更加靠近理論值；而在Y方向上這種趨勢并不是很明顯；同時在Z方向上，攪拌槳葉片之間的安裝距離d=288 mm時并非更加有利于攪拌混合的均勻程度的提高，d=300 mm和d=268 mm時均有更好的攪拌效果；在Y方向，固體顆粒的體積分數(shù)分布對于攪拌槳葉片的間距d并沒有很明顯的相關(guān)性，即相比于Z方向，Y方向的攪拌作用對葉片間距的改變并不是很敏感。針對本文9個不同的攪拌機模型，攪拌臂l=630 mm、攪拌葉片間距d=268 mm時攪拌混合效果最好。

4 結(jié)論

(1) 攪拌槽的入料口處空間較大，且攪拌壁面之間有著大角度的過度連接，攪拌槳帶動的射流在此處會有明顯的減速，形成了若干低速度場，導(dǎo)致此處的攪拌效果較差。

(2) 攪拌槽內(nèi)的Z方向和Y方向的固體顆粒體積分數(shù)表明，在螺旋葉片的作用下沿著Z方向類似“W”形的混合效果，即中間和兩端的分數(shù)較高；在離心力以及密度的影響下，沿著Y方向類似“C”形分布，即攪拌槽的上下區(qū)域體積分數(shù)比中間區(qū)域高。

(3) 攪拌槽內(nèi)固體顆粒相的體積分數(shù)表明攪拌臂長度的減小有利于攪拌混合效果的加強，而攪拌葉片的安裝間距并沒有類似的對應(yīng)線性關(guān)系，葉片間距d=288 mm并不是最合適的選擇，給出了最佳間距值或選擇方向。

本試驗討論了不同參數(shù)的攪拌槳對固-液兩相流攪拌效果的影響，通過固體顆粒體積分數(shù)的對比給出了攪拌槳進一步優(yōu)化的可行性以及優(yōu)化方向，但是由于攪拌設(shè)備尺度較

大，離散模型的單元較多，只能選取有代表性的幾個參數(shù)進行比較，選擇何種攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合才能使攪拌效果達到最佳還有待于進一步研究。

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Numerical simulation of agitating valve and structureoptimization based on Fluent

ZHAN Min-min1,2YUJing-hu1,2DAIXin1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The method of computational fluid dynamics with RNGκ-εturbulence model and Eulerian multiphase flow model was used to the simulation of solid-liquid two-phase feed mixer. Distribution of fluid field and volume fraction of solid-phase were analyzed in the stirred tank of horizontal mixer under the effect of agitator blade with different installing space of mixing blades and various lengths of mixing arms. Based on the results, the appropriate structure parameters could be selected and the simulation also provides theoretical basis for the optimizing design.

mixer; agitating valve; volume fraction; two-phase flow; fluent

詹民民，男，江南大學(xué)在讀碩士研究生。

俞經(jīng)虎 (1973—)，男，江南大學(xué)教授，博士。 E-mail: jhyu@jiangnan.edu.cn

2017-01-03

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.016