攪拌槽內雙層組合槳安裝高度對氣液混合特性影響的數模研究

李盼盼

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

攪拌槽有結構簡單、操作方便的特點，在醫藥、化工、食品和廢水處理等領域都具有十分普遍的應用。國內外的專家和學者對攪拌槽的研究十分廣泛，早期的研究多集中在攪拌槽內部的流場特性，近年來，與攪拌槽相關的研究范圍在不斷擴大，研究的方向也更加豐富。是否能在攪拌過程中將攪拌槽內的兩相或多相介質相混合，形成具有某種均勻程度的混合物，是考量攪拌槽混合性能的重要指標之一。劉海龍[1]等通過PLIF技術實現攪拌槽內流場變化的可視化、可量化，定量計算出偏心攪拌槽的混合效率高于中心攪拌槽，并研究了偏心率對混合效率的影響，得出偏心率在0.4～0.5時混合效率達到最優的結論。金潔[2]等通過PIV試驗和POD分析表明在攪拌槽底部形成的高強度旋渦有利于固體顆粒的懸浮，攪拌轉子與流體的耦合作用產生的振蕩和轉速的提升可加強渦流的擴散從而促進混合反應的進程。同樣地，李文金[3]等采用了PIV 技術研究攪拌槽內槳葉的組合形式對混合效果的影響，采用控制變量法，對比了3 種框式槳攪拌混合場景下槽內的流型、流速、湍動能，得出新型組合槳可提升混合效果的結論。宋亞娟[4]通過水力設計和數模分析，得到性能最優的推進式槳葉，以提高攪拌器性能和氣液混合速率；并基于此結論研究了雙層組合槳對混合性能的影響。JAWORSKI[5]等對雙層渦輪槳內混合的過程進行了模擬和試驗兩個方面的研究，得到了兩種方法對應的混合時間存在的關系。劉法鑫[6]等對比了上直葉下斜葉和直斜葉交替兩種渦輪式組合攪拌器結構和尺寸對攪拌器內流場特性的影響，認為直斜葉交替組合攪拌器的混合效果更好。楊壯[7]采用CFD技術研究了無擋板攪拌槽內互溶液體單相混合過程及影響因素，并對轉速、攪拌槳高度等因素對混合效果的影響進行了量化分析。Szymon Woziwodzki[8]著重研究了雙層渦輪槳攪拌槽內流動死區的位置、大小以及結構變化規律及影響因素，結果表明：偏心率會對流動死區的形狀及大小造成明顯影響，適宜的偏心率可有效改善攪拌槽內的軸向流動。在對雙層組合槳攪拌槽內氣液混合流動的研究中，對于安裝有表面曝氣裝置的攪拌槽的研究則較少，本文將倒傘形表面曝氣裝置與六直葉渦輪裝置組合置于攪拌槽內，研究下層六直葉渦輪的不同安裝高度對于混合時間、槽內流場特性和氣含率的影響，可為攪拌槽雙層組合槳的設計和應用提供依據。

1 物理模型

本文研究的攪拌槽模型如圖1（a）所示，該模型采用雙層組合槳的形式，用于表面曝氣的上層倒傘形轉輪裝置由實際運用中的倒傘形曝氣裝置簡化而成，下層為六直葉渦輪裝置如圖1（b）所示。模型的結構和尺寸如圖2 所示，其中攪拌槽的高度H=6 m，直徑D=5 m；中心轉軸直徑d=0.3 m；擋板厚度T=0.4 m；上層倒傘形葉片長L1=1.4 m，圓弧部分對應的半徑R和高度d1分別為2.65 m和0.4 m，尖角部分對應的高度為d2=0.2 m，d3=0.3 m；下層槳葉片長度L=1.0 m，高度t=0.4 m，其中心距離攪拌槽底部的距離為h即為安裝高度。在本文模擬的3種工況中，h對應的值分別為1.67 m、2.08 m和2.50 m。

圖1 攪拌槽模型圖

圖2 模型結構尺寸圖

2 數值模擬方法

2.1 計算區域網格劃分

與攪拌槽內的其他區域相比，槳葉附近，尤其是表面曝氣的倒傘型攪拌裝置的不規則槳葉所在區域十分復雜。該區域的介質紊動強烈，因此為了使模擬流場的細微結構更真實地顯示，必須使用高質量的網格。通過分塊劃分的方法實現結構化與非結構化網格有機的結合。在倒傘型槳葉區域，采用空間適應能力較強的四面體非結構化網格；同時對水面和上、下層槳葉所在區域附近的網格進行加密處理。

擋板與轉輪的網格圖如圖3（a）所示，軸截面網格圖和橫截面網格圖分別如圖3（b）、圖3（c）所示。

圖3 網格的劃分

2.2 計算方法

對攪拌槽內的氣液混合流動的模擬中，將計算區域劃分為兩部分，即作為旋轉參考系的葉片區域和作為靜止參考系的擋板區域；對旋轉區域和靜止區域分別求解方程，控制方程采用速度壓力耦合的PISO（Pressure-Implicit with Splitting of Operators）算法，所有殘差收斂標準均采用10-4。此外，對攪拌槳葉和壁面處的擋板均做無厚度處理。

2.3 邊界條件的設定

在進行數值模擬計算時，葉輪數學模型采用多參考系模型，頂面為壓力邊界，相對壓強為0，在壁面處采用壁面函數。給定初始水深為5 m，即使攪拌槽內高度z≤5 m的區域內全部充滿水；給定上、下層槳葉的轉速為5.23 rad/s，順時針轉動。計算所采用時間步長為0.005 s，計算總時間為250 s，殘差曲線都降至10-4以下時認為計算收斂。

3 數值模擬結果分析

3.1 混合時間的比較

混合時間是表征攪拌反應器內物料混合狀況的一個重要參數，是指通過攪拌使得兩種完全互溶、但其化學和物理性質（如電導率、顏色、溫度、折光率等）有差異的流體達到規定混合程度所需要的時間[9]；習慣上采用95%規則，即當監測點示蹤劑的濃度達到最終穩定濃度值的±5%以內并不再超出的時刻即為混合時間。在氣液混合過程中，提取六直葉渦輪在安裝高度分別為1.67、2.08、2.50 m工況時不同混合時刻對應的倒傘形表面曝氣裝置處的氣含率（見表1）；分析表1可知，在六直葉渦輪安裝高度不同的3 種情況下，上層槳葉處的氣液充分混合并處于穩定狀態的時候對應的氣含率值均無限接近于1，即全部充滿氣體；此時安裝高度為1.67、2.08、2.50 m對應的時刻分別為155、150、100 s，根據混合時間的定義和95%規則再結合表1分析可得到3 種不同安裝高度對應的混合時間分別為95、90、65 s；顯然是安裝高度為2.50 m 時所經歷的混合時間最短，說明在本文模擬的3種工況下，安裝高度越高所需要的混合時間越短。

表1 3種安裝高度條件下上層槳葉處（4.3 m≤z≤5.2 m）不同混合時刻的氣含率值

3.2 流場特性的比較

3.2.1 流場的分布

由于模擬中的攪拌槽模型具有高度的結構對稱性，故取整個流場的一個截面（x=0 的一個軸截面）來表征流場的分布及特性，安裝高度分別為1.67、2.08、2.50 m 在其達到混合時間95、90、65 s 時所對應的流場如圖4所示。

圖4 流場分布圖

由圖4 可知，不論下層的六直葉渦輪安裝在何種高度處，氣液兩相流充分混合達到穩定狀態以后所形成的流場都呈現對稱分布的特性，在安裝高度為1.67 m 和2.08 m 時，上、下層轉輪處均形成左右對稱沿徑向發展的四渦環流場，各漩渦之間無明顯影響且相鄰兩個漩渦的運動方向相反，在上下層轉輪形成的流場之間伴有小渦的形成；與前兩個安裝高度形成的流場有明顯不同的是安裝高度為2.50 m時形成的流場如圖4（c）所示，在下層槳葉處形成的是兩個運動方向相反的大漩渦；此時，雙層槳間的兩渦環在中間面相遇轉向回流。

3.2.2 流速云圖的比較

同理，在3 種工況對應的混合時間（95、90、65 s）下，分別在安裝高度不同的3 個攪拌槽內取同一軸截面上的速度云圖來表征槽內整體流速的分布（見圖5），顯而易見的是流速關于z軸均是呈對稱分布的；通過比較和分析圖5可以發現，在相同的轉速條件下，隨著下層六直葉渦輪安裝高度的增加，下層槳葉處流速的變化率減小，并且上層倒傘形表面曝氣葉輪處的速度也隨之增大，說明此處的混合流動更加劇烈，從該角度可以再次驗證3.1 所得的結論（即在該3種工況下，安裝高度越高所需要的混合時間越短）；同時可以看到，下層葉輪處水流的運動也伴隨安裝高度的增加而變得更加劇烈，說明安裝高度的增大有利于槽內液體的混合流動和氣液兩相流在交界面處的混合。

圖5 軸截面速度分布云圖

3.3 氣含率分布的比較

3種安裝高度對應的同一軸截面上的氣體分布云圖見圖6。由圖6 可知，知氣體含量的分布也是關于z軸呈對稱分布的；高度為2.50 m時，下層槳葉處氣體分布的范圍有明顯的增大，說明較另兩個安裝高度而言，該高度下氣液混合效果更好；在上、下層槳葉之間的區域，氣體沿軸向的變化量隨著安裝高度的增大而變大；攪拌槽內氣體分布存在變化的區域主要集中在3～5 m高度范圍內，即氣液的混合主要發生在該高度范圍內，低于3 m 的區域中氣體含量接近為0，在高于5 m 的區域氣體含量為1（即全部充滿氣體）。

圖6 軸截面氣含率分布云圖

為了更好地比較安裝高度對槽內氣體含量的影響，分別取3 個攪拌槽內軸截面為x=0 上的兩條測線y=1和y=2上的氣含率在混合時間均為65 s時的分布曲線（見圖7）。由圖7 可知，在經歷相同的混合時間條件下，槽內氣體的含量隨安裝高度的增大而變大，安裝高度為1.67 m和2.08 m時氣體含量差異不是很明顯，高度為2.50 m時槽內氣體的含量最大，說明下層槳安裝高度為2.50 m時槽內氣液兩相流達到需要的混合效果時經歷的時間最短。同時，從圖7（a）可以看出，h=2.50 m 對應的曲線斜率最大，從該角度也可以說明前文中“氣體沿軸向的變化量隨著安裝高度的增大而變大”的結論，即當下層槳葉安裝高度為2.50 m 時，上、下層槳葉區域之間氣體的變化量是最大的。

圖7 不同測線上氣含率分布圖

5 結論

通過對3 種工況模擬結果的比較分析，可以得到以下結論：

（1）氣液混合時間和下層六直葉渦輪的安裝高度有關，在合理的高度范圍內，混合時間隨著安裝高度的增大而減小，本文中安裝高度為2.50 m時的混合時間最短。

（2）適當增大下層槳的安裝高度對氣液兩相流在槽內和在交界面處的混合有利。

（3）攪拌槽內氣體分布的范圍隨安裝高度的增大會而增大并且安裝高度的增大會使得氣體沿軸向的變化量增大。

（4）在同一混合時間條件下，適當增大下層槳的安裝高度可以加快混合過程。但攪拌槽內氣液兩相的混合流動十分復雜，因此，還需要做進一步的實驗研究。