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開啟渦輪式攪拌器的流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要:對于開啟渦輪式攪拌器的攪拌流場,采用多重參考系法、標(biāo)準(zhǔn) κε湍流模型和 SIMPLE算法,應(yīng)用 Fluent軟件對其
 
進(jìn)行數(shù)值模擬,并用PIV實驗進(jìn)行驗證。結(jié)果表明:數(shù)值模擬與實驗結(jié)果基本一致,選用的 MRF模型符合實際;對葉片數(shù)為4、槳葉傾角為45°、槳徑為100mm的常用開啟渦輪式攪拌器在轉(zhuǎn)速為120r/min時進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向流,在擋板附近形成漩渦,在釜底存在攪拌死區(qū);對攪拌器葉輪設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳徑為170mm、槳葉傾角為45°、葉片數(shù)為6時所產(chǎn)生的攪拌死區(qū)**少,攪拌效果**佳。
引言
 
攪拌器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、食品、醫(yī)藥、發(fā)酵、排污等各種行業(yè)[1],攪拌器葉輪是攪拌過程的主要換能器件,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的葉輪所造成的流場和混合效果差別很大,故對攪拌器進(jìn)行流場分析和優(yōu)化[2-3]成為必要。近日,隨著CFD[4-6]在攪拌釜中應(yīng)用,可通過CFD對攪拌器進(jìn)行流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,較傳統(tǒng)的半理論半經(jīng)驗的方法有更大的優(yōu)越性,對攪拌釜的開發(fā)和調(diào)控產(chǎn)生重大影響。雖然CFD會縮短實驗周期,但是真實的流動情況需通過試驗來驗證[7]
 
本文以 CFD 技術(shù)作為攪拌器流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論分析基礎(chǔ),并用PIV 驗證模擬的正確性。采用FLUENT對攪拌釜內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了開啟渦輪式攪拌器在不同結(jié)構(gòu)下的流場,并對攪拌器進(jìn)行優(yōu)化,為攪拌器的開發(fā)和選型提供了依據(jù)。
 
1 實驗裝置
 
1.1 實驗?zāi)P?br />  
實驗所用攪拌釜為帶蝶形封頭的圓柱形釜體,直
 
徑D=290mm液面高度 槳徑為=100mm
葉片寬度=10mm,槳葉離底高度。為了減少

釜壁對光線的折射作用,將攪拌釜置于玻璃方槽中。釜體內(nèi)有4塊擋板,擋板寬度=5mm,葉片數(shù)=4,流動介質(zhì)為水。為避免激光照射到攪拌器表面行成散光,實驗前需將攪拌器和攪拌軸表面噴上均勻的黑漆。
 
1.2 流場測試系統(tǒng)
 
流場的測量方法主要有皮托管法[8]、熱膜風(fēng)速儀法[9-10]、激光多普勒測速技術(shù)[11-12]、激光超聲測量技術(shù)、電化學(xué)法、攝影法、粒子圖像測速。而PIV 技術(shù)打破單點測速技術(shù)的限制,既具備單點測量技術(shù)的分辨率和精度,又具備平面流場顯示的瞬時圖像和整體結(jié)構(gòu),揭示出了流動場湍流流動的空間結(jié)構(gòu),故本實驗采用粒子成像測試技術(shù)[13-14]。該測量儀由照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機和分析軟件組成。
 
2 數(shù)值模擬
 
2.1 控制方程
 
攪拌釜的 CFD 分析可以看作是在流體流動基本守恒定律下對流體的模擬,這三個基本的守恒定律是:質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律,而控制方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。
2.2   網(wǎng)格劃分                                    
                                                   
  利用       進(jìn)行建模,導(dǎo)入到 ICEMCFD 進(jìn)行網(wǎng)
            ProE                        
格劃 分。 采 用 多 重 參 考 系[15] (    
                                        MultipleReference
          )方法解決攪拌區(qū)域的運動問題,將攪拌
FrameMRF                                    
釜分為槳區(qū)域和槳外區(qū)域,通過在交界面上的插值轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)兩個不同區(qū)域的速度匹配。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,總網(wǎng)格數(shù)為214894個,總節(jié)點數(shù)為39533個。
 
2.3 模擬方法
采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,用標(biāo)準(zhǔn) κε
 
流模型模擬流體的流動。攪拌過程中液面與大氣接觸,邊界條件設(shè)為自由液面;所有釜體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件。壓力 ― 速度耦合采用 SEM-PLE算法,流動狀態(tài)為定常流動;由于使用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,采用二階迎風(fēng)差分格式以提高計算精度;計
算殘差設(shè)定為10-3
 
3 攪拌流場分析
 
3.1 流場數(shù)值模擬
 
為了觀察分析攪拌釜內(nèi)攪拌軸附近流體的速度大小及分布情況,截取軸向的0°切面的速度云圖和速度矢量圖,如圖1所示。從圖1(a)可以看出,液流的高速區(qū)主要集中在槳葉附近以及其下方的帶狀區(qū)域;另外,在槳葉下方有一個低速的自下向上流動的三椎體區(qū)域,此區(qū)域容易產(chǎn)生攪拌死區(qū)。從圖1(b)可以看出,流體有較大的軸向分量,流體在撞擊擋板之后繼續(xù)沿著擋板向下流動,從下邊緣進(jìn)入槳葉,擋板附近形成漩渦。在封頭內(nèi)的流體沿著釜壁向中心流動,在釜底形成攪拌死區(qū)。
  比較 PIV 實驗和   數(shù)值模擬結(jié)果可知,漩渦 各個截面的分析,獲得**佳攪拌效果的攪拌器結(jié)構(gòu)。
              Fluent              
位置基本一致,流型也基本一致。通過時均速度圖可 通常,軸向流、攪拌死區(qū)少、攪拌速度大、數(shù)量較多的漩
知實驗和模擬的時均速度分布和中值基本一致,且** 渦能達(dá)到更好的攪拌效果。初始數(shù)據(jù):葉片數(shù)
                                 
大速度都在葉端位置,分別為 / 和 /。 傾角   ,槳徑   ,轉(zhuǎn)速
                  0.046ms 0.045ms   45°   100mm
由于軸的柔性,在轉(zhuǎn)動中速度有一定波動,存在一定誤 4.1 葉片數(shù)對槳性能的影響
差。綜上所述,   實驗驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確   給出了在相同槳葉傾角
          PIV                    
性,選用的 MRF 模型符合實際。         、轉(zhuǎn)速
                    =100mm   120rmin
  攪拌器的優(yōu)化         種不同葉片數(shù)下能表達(dá)釜內(nèi)整個宏觀流動場的模擬結(jié)
          果,考慮到釜內(nèi)有4個擋板,故每種葉片數(shù)下表達(dá)釜內(nèi)
                       
                       
  通過對不同葉片數(shù)、不同槳徑和不同槳葉傾角在 整個流場的截面都不同。




       
               
               
  根據(jù)流體力學(xué)理論,采用Fluent對攪拌釜內(nèi)部流
   
   
               
場進(jìn)行了模擬,并用 PIV 對模擬進(jìn)行驗證。結(jié)果表
 
               
明,     實驗與數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致,選用的
       
  PIV        
    模型符合實際;對葉片數(shù)為  、槳葉傾角為
MRF  
           
槳徑為 100mm 的常用開啟渦輪式攪拌器,在轉(zhuǎn)速為
     
         
      時 槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向流 在擋板附近形成漩
         
120rmin      
渦 在釜底存在攪拌死區(qū) 通過改變攪拌器葉輪的設(shè)計
 
           
參數(shù),對所得到的模擬結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳
 
               
徑為170mm、槳葉傾角為45°、葉片數(shù)為6時所產(chǎn)生的
 
               
攪拌死區(qū)**少,攪拌效果**佳。

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