澆注攪拌機內部流體均混時間模擬研究＊

曹曉暢，齊國良，王文昌

（1.東莞理工學院，廣東 東莞523000；2.安徽科達機電有限公司，安徽 馬鞍山243000）

澆注攪拌機是一種工業設備[1]。對按一定配比注入罐體的料漿、水泥、生石灰、石膏及鋁粉膏懸浮液體進行攪拌，使之均勻混合，充分反應，并及時將混合料漿注壓模框內。在罐內，攪拌強度和時間對加氣混凝土的質量有很大的影響。它的攪拌效果不僅影響料漿的發氣率，還影響坯體強度的均勻性和生產效率[2]。隨著需要解決的問題越來越復雜，實驗所需時間成本及經濟成本越來越高，低成本、高效率的CFD 模擬方法得到越來越多的認可[3-5]。

本文采用CFD 方法，根據工業生產用攪拌機的原型，等尺寸建立幾何模型，對一些無關的連接件結構作一些簡化處理，考察了三種不同攪拌槳型對攪拌效果的影響。

1 數學模型的建立

1.1 建模及網格劃分

根據實際的物理模型，等尺寸建立幾何模擬，對一些無關的連接件結構作一些簡化處理，應用ICEM CFD 模塊進行網格劃分，網格數量為100 000 個，并對攪拌槳葉及攪拌區域進行了加密處理，如圖1 所示。

圖1 澆注攪拌機的幾何模型及網格劃分

為進一步考察攪拌機內部攪拌對物料攪拌效果的影響，本文選用了三種不同的攪拌槳和導流筒形式進行模擬，攪拌槳和導流筒幾何模型如圖2 所示。

圖2 澆注攪拌機內部槳型對比

1.2 數值解法及邊界條件

使用軟件FLUENT 來求解離散方程，用k-ε模型計算湍流性能，用Eulerian 模型對攪拌機內的氣-液體系進行數值模擬，采用標準壁面函數法處理近壁區域，使用滑移網格法來處理槳葉的旋轉區域。離散格式采用二階迎風格式，所有變量的收斂標準設置為殘差小于10-3。邊界類型設置為壁面邊界（wall），攪拌機內壁定義為靜止壁面邊界條件，自由液面定義為對稱邊界條件。模擬選用物料為水和空氣，物性參數為Fluent 默認值，攪拌轉速為生產實際中的常規轉速為690 r/min。

2 結果與討論

2.1 考察不同時刻三種槳型攪拌效果

考察3 種不同槳型在5 s 時刻的攪拌效果，得到澆注攪拌機內部壓力、速度、濃度分布分別如圖3～圖5 所示。由圖3 可以看出，攪拌機壓力分布較大區域為攪拌區域，槳1與槳2 壓力分布明顯小于槳3。

由圖4 可知，攪拌機內速度較大區域集中在攪拌槳葉及導流筒附近，其中槳3 攪拌機的高速區域明顯高于槳1 和槳2 對應的攪拌機。

隨著攪拌的進行，攪拌機內部會形成上下對稱的四組漩渦。其中攪拌槳3 內部形成的漩渦斜度更明顯，適于攪拌機內部迅速混合，但此種流動可控性相對較差。

圖3 不同攪拌槳攪拌機內部壓力分布云圖（單位：Pa）

圖4 不同攪拌槳攪拌機內部速度分布云圖及速度矢量圖（單位：m/s）

圖5 不同攪拌槳攪拌機內部組分濃度分布云圖（單位：%）

圖5 中，攪拌槳1 與攪拌槳2 對應攪拌機內氣液兩相在壁面附近有混合，攪拌槳3 對應攪拌機在攪拌槳軸心位置形成渦流，氣液兩相混合明顯。

2.2 考察三種槳型對應的均混時間

混合時間是研究攪拌反應器的重要參數之一，數值模擬的具體處理方法是確定示蹤劑的加入區域，選擇柱體為加料區A，柱體半徑為0.2 m，然后把示蹤劑在加料區內的初始濃度設為1，其他區域的初始濃度設為0。在獲得穩定的流場以后再加入示蹤劑，并假定示蹤劑的加入速度與所在區域內流場的速度相同，以便消除示蹤劑的加入對局部的流動影響。示蹤劑混合過程的求解是在穩態流場計算結果的基礎上進行的，即先進行穩態流場的計算，將穩態計算收斂后的結果作為初始值，再用滑移網格法進行非穩態計算，此時速度、湍流參數等的輸運方程被自動鎖定，只需計算示蹤劑濃度的輸運方程，這可以加速收斂，提高求解效率，從而節省了大量的計算時間。而且研究表明，該法所得的混合時間模擬結果與同時聯立求解所有方程所獲得的結果相差很小，可以忽略。計算完成后即可得到示蹤劑的濃度隨時間的變化過程，根據95%的原則，可以計算得到混合時間，并比較監測點a1、a2、a3、a4 的結果。加料區及監測點位置如圖6 所示。

圖6 加料區及監測點位置

模擬得到不同槳型下各個監測點示蹤劑的濃度變化情況如圖7 所示。

圖7 檢測點上示蹤劑濃度變化情況

根據模擬結果可知，對于槳1 來說，監測點4 位置示蹤劑的濃度為0，說明槳1 攪拌過程中，監測點4 位置無法實現混合，其他監測點實現均勻混合，在40 s 以后。對于槳3來說，監測點4 位置示蹤劑濃度一直處于波動過程，并且其他監測點實現均勻混合需要在20 s 以后。對于槳2 來說，20 s 內所有監測點示蹤劑濃度變化較小，波動范圍在5%以內，說明槳2 在20 s 內能實現均勻混合，槳2 的攪拌效果相對較好。

3 結論

通過對攪拌機槳型變化對應的壓力場、流場、組分濃度場分布變化以及均混時間的研究表明：①攪拌槳3 對應攪拌機內部壓力分布、速度分布及組分濃度分布變化趨勢明顯高于另外兩種情況。攪拌槳3 的攪拌會造成形成流體斜向渦流，快速實現氣液混合，但流動的可控性較差。②20 s 內攪拌機內所有監測點示蹤劑濃度變化較小，波動范圍在5%以內，攪拌槳2 的攪拌能在20 s 內實現均勻混合，攪拌槳2的攪拌效果相對較好。