不同空氣分布器結構攪拌槽內氣液分散特性的數值模擬

對于有氣體參與的反應過程，空氣分布器的結構對攪拌效果的影響至關重要[1]。充分掌握空氣分布器結構對攪拌槽內的湍流特性、流場分布、組成濃度分布等的影響規律，對攪拌器的性能優化設計、指導操作、自動化控制具有重大意義[2]。目前可以采用實驗方法獲得反應器內氣液兩相流攪拌的氣體分散性能[3-5]，也可以通過CFD（ComputationalFluidDynamics，CFD）模擬計算獲取反應器中整體和局部的氣含率、流體速度、湍動能和混合特性[6-7]等流體力學參數，從而較為直觀地反映出反應器內的流場特性[8-10]，CFD已逐漸成為生物反應器性能優化和設計的一個重要工具。

空氣分布器大量用于工業攪拌設備中，目前對于氣液分散的研究大多采用試驗方法[]，而使用數值模擬軟件模擬空氣分布器對攪拌效果影響的研究很少。本研究借助于計算流體力學軟件Fluent，對不同的空氣分布器結構的攪拌效果進行了整體數值模擬。通過對攪拌流場、氣體分布以及功率消耗等方面的分析，來判斷單根通氣管空氣分布器及環形通氣管分布器對攪拌效果的影響。

1數值模擬

1.1攪拌基本參數

攪拌槽內徑 D=2 600mm ，攪拌槽內液面高度H=3000mm ，攪拌器距槽底高度 h=700mm ，轉速210r/min 。通氣量為 32m³/min 。

攪拌器層數為3層，上面兩層高效軸流槳，攪拌器直徑為 700mm ；下面一層斜葉圓盤渦輪槳，攪拌器直徑為 700mm 。采用2種空氣分布器結構：（1）單根通氣管空氣分布器；（2）環形通氣管分布器。

1.2CFD分析方法及網格劃分

采用軟件Solidworks對單根通氣管空氣分布器和環形通氣管空氣分布器，分別在反應釜內進行三維建模。通過IECMCFD軟件完成單根通氣管空氣分布器和環形通氣管空氣分布器三維模型的網格劃分[1.6]，網格類型選用非結構化四面體網格，且網格數目達到網格無關性。采用軟件Fluent模擬計算，得出2種空氣分布器對應的流場特性。

2模擬結果與討論

2.1 流場分布

比較單根通氣管空氣分布器攪拌罐內速度矢量場和環形通氣管空氣分布器攪拌罐內速度矢量場，可以看到兩者流型區別較大。單根通氣管空氣分布器由于氣體在底層槳葉下部的一側通入，底層槳葉排出的流體受單管大氣量影響，呈現左右不對稱現象，底層槳葉在通氣管側排出的流體傾斜角更大。由于底層槳葉排出的流體不對稱，導致了整體的左右兩邊的流場出現了比較大的不對稱現象。環形通氣管空氣分布器罐內底層槳葉排出的流體比較規則，與上面兩層高效軸流槳向下排出的流體銜接后，能夠在整個罐內形成比較好的整體軸向循環流。

對比單根通氣管空氣分布器攪拌罐內速度云圖（圖1）和環形通氣管空氣分布器攪拌罐內速度云圖（圖2），可以看到兩者的速度云圖區別也較大。單根通氣管空氣分布器由于氣體在底層槳葉下部的一側通入，從底部攪拌器的葉端可以明顯地發現，分布器的對面側槳葉的右上方有一股比較大的流體流動。推測應該是受到氣相速度的影響，改變了槳葉排出流體的方向，加速了流體流動，最終導致了流體發生了轉向。環形通氣管空氣分布器攪拌罐內速度云圖的縱截面左右兩邊流動速度云圖分布比較對稱，并且管罐內底部的流速高于單根通氣管空氣分布器攪拌罐內底部的流速。

2.2 氣含率分布

對比單根通氣管空氣分布器攪拌罐內氣含率分布（圖3）和環形通氣管空氣分布器攪拌罐內氣含率分布（圖4），可以看到兩者的氣含率完全不一樣。

單根通氣管空氣分布器由于氣體在底層槳葉下方一側通入，致使整個槽內的氣含率分布很不均勻，氣含率在液面附近較高，表明大部分氣體沒有經過分散直接產生氣泛，沖到液面以上，罐體底部的氣含率很低，總體來說整個罐內的持氣率較低，出現了氣泛現象。

環形通氣管空氣分布器攪拌罐內的氣含率在縱截面的左右分布比較對稱，整個槽內的氣體分布相對比較均勻，分布在液面的氣體比較少。總體來說整個罐內的持氣率較好，能夠獲得更高的氣液傳質面積。

2.3功率消耗

單根通氣管空氣分布器攪拌槳與環形通氣管空氣分布器的功率消耗分別為 32.1kW 和 33.5kW ，可以發現兩者的功率消耗相差不大。

3結論

（1）單根通氣管空氣分布器攪拌罐內速度矢量場和環形通氣管空氣分布器攪拌罐內速度矢量場有明顯的區別。單根通氣管空氣分布器攪拌罐內流場分布不對稱，而環形通氣管空氣分布器攪拌罐內流場相對比較對稱。

（2）單根通氣管空氣分布器攪拌罐內速度云圖和環形通氣管空氣分布器攪拌罐內速度云圖區別明顯。單管通氣管空氣分布器的罐內底部槳葉受到通氣的影響導致流體方向發生了偏轉，導致流場分布不對稱。

（3）單根通氣管空氣分布器攪拌罐內氣含率分布和環形通氣管空氣分布器攪拌罐內氣含率分布完全不一樣。單根通氣管空氣分布器攪拌罐內氣含率整體較低，出現了氣泛現象。環形通氣管空氣分布器攪拌罐內的氣體分布較為對稱，持氣率高，載氣效果好，能夠獲得更高的氣液傳質面積，氣體分散效果更好。

（4）單根通氣管空氣分布器攪拌槳的功率消耗和環形通氣管空氣分布器攪拌槳的功率消耗相差不大。

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