攪拌釜內稠密固-液混合的數值模擬

徐子龍, 孫 寧, 楊 潮, 劉寶慶, 金志江

(浙江大學 化工機械研究所, 浙江 杭州 310027)

1 前 言

固-液混合是化工領域重要的單元操作之一，其目的是將固-液兩相充分接觸，從而加快反應及傳質速率[1]。從ZWIETERING[2]提出完全離底懸浮狀態的概念以來，學者對攪拌釜內的固-液混合過程展開了大量的研究，但主要集中于探究槳葉結構、固-液相性質等因素對完全離底懸浮狀態的影響[3-4]。隨著測量水平的發展，正電子發射顆粒跟蹤技術(positron emission particle tracking，PEPT)、放射性顆粒跟蹤技術(computer-aided radioactive particle tracking，CARPT)等開始用于攪拌釜內參數的測量[5-6]，為深入研究固相懸浮特性提供了新的途徑。但是，實驗法仍具有一定的局限性，如設備價格高昂、難以獲得全面的數據等。相比于實驗研究，利用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)技術可以較為便捷、直觀地獲取大量信息。

在固-液混合的數值研究中，涉及多相流模型的選擇。其中，歐拉-歐拉(Eulerian-Eulerian)模型[7-10]最為常用。但是，ALTWAY 等[11]發現在高固含率體系，歐拉-歐拉模型的結果與測量值間存在較大的偏差。其原因在于，隨著固含率的升高，固相間的碰撞與摩擦將不可忽略[12]。因此，在對稠密固-液混合體系進行數值模擬時，需要構建固相間的相互作用力模型。為此，GIDASPOW[13]于1994 年提出顆粒動力學理論(kinetic theory of granular flow，KTGF)，并建立相應的固相本構方程。WADNERKAR 等[14]將KTGF 模型與歐拉-歐拉模型相結合，并成功預測了稠密固-液攪拌釜內的固相濃度及速度分布。之后，KAZEMZADEH 等[15]、WANG 等[16]均采用了KTGF 模型進行數值研究，并得到槳葉結構、泵送模式及顆粒性質等因素對固相懸浮的影響。

本研究采用KTGF 模型對固相體積分數為23.6% 的攪拌釜進行數值模擬，并探究固相分布、固相懸浮高度及固相沉積高度隨轉速的變化規律，以期深化對稠密固-液混合特性的理解和認知。……