不同擋板數攪拌槽內流場模擬

　， ， (南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京　211816)

固-液懸浮是過程工業中的一種典型單元操作，以實現顆粒的有效懸浮為主要目的，在食品、冶金、石油等行業均有廣泛應用。攪拌槽是典型的固-液懸浮設備，結構設計合理的攪拌槽可使顆粒分布均勻，防止固體沉淀[1-3]。近年來，計算流體力學(CFD)技術的發展促進了攪拌槽的優化設計，利用CFD技術對攪拌槽進行數值模擬,極大地解除了實驗設備、實驗規模、實驗成本及實驗周期等對研究者在兩相流的混合時間預測[4-7]、氣液分散體系[8-10]等方面研究工作的制約，因而越來越受到研究人員的重視。目前有關攪拌槽固-液懸浮的研究，主要集中在臨界懸浮轉速以及懸浮高度方面，而關于擋板設置對攪拌釜內固-液懸浮影響的研究則比較少[11-12]。

文中利用計算流體力學軟件Fluent對雙層圓盤渦輪攪拌槽內固-液兩相流場進行數值模擬，考察了攪拌槽內擋板數量對流場的影響，以及擋板設置對于攪拌槽內固-液臨界懸浮轉速的影響，為現實的工業生產提供一定的理論依據。

1　攪拌槽幾何模型及模擬方法

1.1　模型結構

本文的計算模型與RUTHERFORD等[13-14]試驗所用的攪拌槽模型一致，為直徑d=294 mm的圓柱形平底攪拌槽，槽內均布4塊擋板，每塊擋板寬為b=d/10=29.4 mm,全部距攪拌槽壁5 mm。釜內液位高度H=d。槽內上下兩層槳葉均采用標準六直葉圓盤渦輪槳對顆粒進行攪拌懸浮，攪拌槳直徑D=d/3=98 mm，下層槳距離釜底距離為0.25d=73.5 mm，上層槳距離釜底位置為0.75d=220.5 mm，攪拌轉速取250 r/min。

計算物系液相密度為998 kg/m3，動力黏度為0.001 Pa·s，固體的顆粒密度為2×103kg/m3，顆粒直徑為50 μm。由于攪拌槽結構較為復雜，故網格劃分采用非結構化四面體網格，并對攪拌軸、葉片等區域進行網格加密處理，網格總數約為62萬。網格無關性檢驗表明，再增加網格對模擬結果已沒有影響。圓柱形平底攪拌槽網格結構見圖1。

圖1　圓柱形平底攪拌槽網格結構

1.2　模擬方法

應用流體力學軟件Fluent對攪拌槽內單相流場和固-液兩相流場進行數值模擬。對固-液兩相流采用Euler法[15-16]，將顆粒和流體均看成連續漿液相。此方法具有計算量小的優點，在高濃度的固-液兩相流模擬中應用較廣。對槳葉旋轉區域和其他靜止區域采用多重參考系法(MRF)[17]處理，湍流模型采用標準κ-ε模型，標準壓力-速度耦合采用SEMPLE算法和一階迎風差分格式，通過監測攪拌軸扭矩的方式確定計算是否收斂。

攪拌槽的流場分布受多種因素的影響，在模擬中采用單獨改變一種因素的方法，來分析擋板數量對攪拌槽內流場和離底臨界懸浮轉速的影響。

2　攪拌槽內流場模擬結果與分析

2.1　模型驗證

對CFD模擬的4塊擋板攪拌槽流型與文獻[13-14]中試驗的單相流時兩相鄰擋板中間垂直截面流型進行對比，見圖2。

圖2　攪拌槽內液相流型數值模擬與文獻[13-14]試驗結果比較

從圖2可以看出，在葉片頂部流體速度較大，兩葉片之間形成平行流，這是由于槳葉間的距離較大所致[18]。比較圖2a與圖2b可以發現，數值模擬的結果與文獻[13-14]試驗結果在每層槳葉區均產生上下兩個旋渦，CFD數值模擬的攪拌槽內流型與文獻[13-14]試驗的流型均為平行流，模擬結果和文獻[13-14]中試驗結果具有良好的一致性。

2.2　擋板數對液相速度的影響

擋板是消除攪拌槽內旋渦、改變槽內流動狀態、促使流體在槽內產生上下垂直翻滾運動的有效措施。本文通過改變擋板數，研究了攪拌槽內流場中液相速度的分布情況。當擋板個數分別為0、2、4時，在r=0.25d(r為測點的徑向位置)處z軸方向的液相速度分布見圖3～圖5。

圖3　擋板數量不同時r=0.25 d處z軸方向液相徑向速度分布

圖4　擋板數量不同時r=0.25 d處z軸方向液相軸向速度分布

由圖3可以看出，4塊擋板時的徑向速度最大，在兩槳葉的頂端達到速度峰值，3種不同擋板數下的速度分布具有相似性。

從圖4可以看出，4塊擋板時的軸向速度較大，有利于軸向流體均勻混合。在每層槳葉區下部，軸向速度為正值，以上則為負值。這是由于旋渦的存在，使軸向速度的方向發生變化。

從圖5可以看出，無擋板時的液相切向速度較大。這是由于無擋板情況下，切向速度未轉化為軸向和徑向速度，與文獻[11]中結果一致。此外，設置擋板情況下，切向速度的峰值主要在槳葉附近區域，設置2塊擋板和4塊擋板時切向速度峰值均出現在葉輪頂部區域。

2.3　擋板數對固-液兩相流場的影響

不同擋板數下攪拌槽內固-液兩相流場中固體顆粒體積分數分布見圖6。

圖6　不同擋板數下攪拌槽內固-液兩相流場中固體顆粒體積分數分布

從圖6總體來看，攪拌槽內軸向固體顆粒體積分數分布出現明顯的分層現象，以h/d=0.5為界，上下區域的固體顆粒體積分數分布差異較大。

結合圖2進一步分析可知，此種現象主要是由于槳葉間距較大，槳葉之間相互作用較小，未形成合并流所造成的。同時比較圖6中不同擋板數下固體顆粒體積分數的分布情況，無擋板時槽底固體顆粒體積分數較低可知，設置2塊擋板和4塊擋板時，攪拌槽底固體顆粒體積分數均較大。結合圖3～圖5中所示的3種情況下速度分布情況可知，切向速度對槽底固體顆粒體積分數的分布情況影響顯著。

在圖6的3種工況下，對應的槽底最大固體顆粒體積分數見圖7～圖9。從圖7～圖9可知，隨著攪拌槳轉速的增加，3種工況下攪拌槽底部固體顆粒體積分數均逐漸減小。依據文獻[12]中提出的濃度判定依據，結合圖7～圖9分析可知，當固相體積分數φmax=0.52時，攪拌槽內達到完全離底懸浮。

圖7　不同轉速下無擋板時槽底最大固體顆粒體積分數

圖8　不同轉速下2塊擋板時槽底最大固體顆粒體積分數

圖9　不同轉速下4塊擋板時槽底最大固體顆粒體積分數

0塊、2塊、4塊擋板條件下攪拌槽內離底臨界懸浮轉速分別為31.3 r/min、46.7 r/min、46.8 r/min。無擋板時槽內臨界懸浮轉速較小，與文獻[12]中結果吻合。結合圖3～圖5中3種工況的速度分布以及圖6中顆粒體積分數的分布情況分析可知，無擋板條件下槽內的切向速度較大，槽底顆粒體積分數較小，從而導致整個攪拌槽內的離底臨界懸浮轉速較小，進而可判斷出離底臨界懸浮轉速對切向速度較為敏感。此外，從圖7～圖9還可知，擋板的設置有助于改善整體顆粒體積分數的分布，無擋板時攪拌槽內顆粒體積分數分布沿軸向高度方向降低的速度較快，液面處顆粒體積分數較小，槽內整體顆粒體積分數分布不均勻，與文獻[11]的結果吻合。

3　結語

利用CFD對攪拌槽內的流場特性進行了數值模擬，完成了用CFD軟件對不同擋板個數下攪拌槽內流場的模擬分析。模擬結果綜合分析表明，均布4塊擋板的槽內流型與文獻[13-14]試驗結果吻合，擋板的設置有助于增加軸向和徑向速度，無擋板條件下槽內徑向速度最大。攪拌槽內擋板數對固-液兩相流流場的影響模擬結果表明，無擋板情況下槽內切向速度較大，槽底固相體積分數最小,臨界離底懸浮轉速最小為31.3 r/min，而擋板的設置有利于槽內顆粒體積分數分布均勻，提高顆粒局部體積分數。

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