搅拌浸出槽的CFX数值模拟研究.pdf

第 1 1卷第 3期 2 0 1 3年 6月 矿 业 工 程 M in ing Eng i ne e r ing 5 9 搅拌 浸出槽 的 C F X数值模拟研 究 余 良英 幸福 堂 张小峰 ( 武汉科技大学，冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 8 1 ) 摘要 ：采用 C F X对 搅拌浸出槽进行 了模拟研究 和分析 。用 D M 建立模型 ，用非结构化 网格进行 网格划 分 ，用 欧拉多相流方程及 k 一 模型模 拟 内部 流场 。其 所选模 型能 较准确 的反应 搅拌 浸 出过程 中 内部 的流 场 ，对研究 改进搅拌浸出槽的设计有重要意 义。 关键词 ：C F X；搅拌浸 出槽 ；固一液 两相流 ；流场分析 中图分类号 ：T P 3 5 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 1 8 5 5 0 ( 2 0 1 3 )0 3 0 0 5 9 0 3 0 引言 1 C F X模 拟研究 针 对 我 国含 钒 页 岩现 有 提 钒 装备 存 在 的问题 ， 围绕着含钒页岩提取大型化装备及工艺过程控制项 目提出高效提钒技术 。本文主要工作是根据流态化 浸出设备开发 ，进行计算机仿真技术的模拟 。浸 出 设备种类多样 ，但普通 的机械搅拌 、槽浸等浸出设 备处理能力低 、设备内壁防腐及工艺操作困难 ，须 开发同时满足耐热、耐腐蚀及耐磨损的新型流态化 浸出设备 ，满足浸出作业的特殊需求十分必要。浸 出搅拌槽作用是在原料充分磨细的条件下 ，让其与 浸出剂在激烈 的搅拌下进行混合 ，使有价元素变为 可溶性的化合物进入液相中 ，从而达到搅拌浸出的 目的。因此 ，搅拌浸出在石煤提钒过程 中有着重要 的作用。搅拌槽内多相流动的传统研究方法是通过 实验测量获得一些宏观 、时均 的流体动力学参数 ， 利用无量纲数对测量结果进行关联 ，得 出经验或半 经验 关联 式 。实 验测 量一 般仅 能获 得少 量 的流 动信 息 ，无 法提供 搅 拌槽 内多 相流 体动 力学 特性 的完整 细节 ，难 以获得 在颗粒 尺 度上 的机 理性 认识 _ 】 J 。虽 然对其有许多的试验和理论研究 ，但有关的理论和 涉及计 算 方 法 仍 不 完 善 ，因此 ，计 算 流 体 力 学 ( C F D)用于研究搅拌浸 出设备 ，可以节约大量 的 时 间 、人 力 和物 力 ，对未 来搅 拌浸 出槽 的研 究 开发 与利 用有 很 大影 响 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 2 2 7 作者简介 ：余 良英 ( 1 9 8 7 一) ，女 ( 汉族) ，湖北钟祥人 ，武汉科技 大学研究生 ，主要学 习方 向为大气污染控制工程 。 1 1 O F X简介 C F X采用了基 于有限元 的有 限体积 法，在保 证 了有 限体积法的守恒特性基础上 ，吸取了有限元 法的数值精确性。C F X可 用于求解不 可压 、可压 流体 ；压 、跨 、超音速流体 ；定 常、非定常流动 ； 层流 、湍流 ，湍流模型包括零方程模型、一方程模 型 k e 、R NG k一 模 型 、S S T ( S h e a r S t r e s s T r a n s p o r t ) 模 型 、 雷 诺( R e y o n l d s ) 应 力 模 型 、 D E S 、L E S ；浮力驱 动 流 ；非 牛顿 流 ；化 学 反应 动 力学 ；多组分流动 ；多相流分析 ；燃烧分析 ；相间 传热 、传质模型 ；流固耦合技术和并行计算等 。 1 2 模 拟方 法及 模型 简介 1 2 1 搅拌 区域 模拟 方 法 浸出搅拌槽在模拟 中面临 的最大挑战是 由液 面 、器壁 、搅 拌桨 和搅 拌轴 所 围成 的流动 域 的形状 是 随时 间变化 的。为 了 了解 静 止 的挡 板 和运动 桨 叶 之间的相互作用 ，许多学者 提出了不 同的解决办 法 ，其中主要包 括 ： “ 黑 箱”模 型法( I B C I mp e l l e r B o u n d a r y C o n d i t io n) ， 内 外 迭 代 法 ( I O I n n e r Ou t e r ， me t h o d ) ， 滑 移 网 格 法 ( S MS l id in g Me s h ) ，多重参 考系( MR F Mu l t i R e f e r n c e F r a me ) 等 。 根 据 研 究 可 得 到 ， 本模 拟采 用 多重参 考 系法 。该方 法是 一种 稳态 流场 的计算方法 ，采用两个参考系分别进行计算 ，多重 参考系法划分的两个区域没有重叠的部分，不再需 要 内外迭代过程 。桨叶所在区域是以桨叶速度旋转 的参考系，其他区域使用静止参考系，用来计算叶 轮 区 以外 的流动 场 。两个 不 同 区域 内速 度 的匹配 直 6 0 矿 业 工 程 第1 1 卷 第3 期 接通过在交界面上的坐标系转换来实现 ，因而使计 算变得更加简单 。 1 2 2 多相流 模拟 方 法及湍 流模 型 湍流模拟常用 的方 法 3 有 直接模 拟( D NS ) 、 大涡模拟 ( L E S ) 、Re y n o l d s平均法( RANs )等。 本模拟采用 R e y n o l d s平均法 中的涡粘模 型标准的 k 一 模 型 。R e y n o l d s 平 均 法 的核 心 是 不 直 接 求 解 瞬 时 的 N S 方 程 ，而 是 想 办 法 求 解 时 均 化 R e y n o l d s 方程 。Re y n o l d s 是 目前 使 用 最 为 广 泛 的 湍流数值模拟方法 。目前，常用的湍流模型有两大 类 ：R e y n o l d s 应力 模 型和涡 粘模 型 。 C F X 中有 两 种 不 同 的 多 相 流 模 型L 4 ，欧 拉 一 拉格朗 日 ( E u l e r L a g r a n g e )方法 、欧拉 一欧拉 方法 ( E u l e r E u l e r ) 。欧拉 一欧拉法 将离散项作 为与连续相共同存在且相互渗透的拟连续介质，各 相在同一空间点上共存，各 自遵从 自身动量、质量 和能量传递方程 ，各相间通过相间作用力和共用的 压力场互相耦合 。两者均在 欧拉 坐标系 中进行 求 解 ：即将 连续相 和 拟连续 相 ( 离散 相 )对等 地进 行 处理 ，两者均使用 NS方程求解 ，连续相和拟连 续相有着各 自的体积浓度 。C F X中欧拉 一欧拉法 分为均相模型和非均相模型 ： 颗粒模 型( t h e p a r t ic l e mo d e 1 ) 。该模 型 适用于多相流 中有一相是 连续相 ，其他 的为分散 相 ，分散相可以是颗粒 、液滴或假定球形等。可用 来模拟简单的分散多相流问题。对于搅拌浸出槽内 固一液两相流的研究使用颗粒模型 ，两相间无质量 传递。颗粒模型曳力函数 5 如下 。 s c h il l e r n a u ma n n曳 力 模 型 ：该 方 程 适 用 于 固体体积分数很小 ( 稀相)的固一液体系固相为球 形颗粒 ，或是液体颗粒足够小 ，可以认为是球形的 颗粒 。但对于较大固体体积分数的固一液体系，该 方程有其局限性 。 we n Yu 模型 ：该方程适合于球形颗粒体积 分数约 2 0 的稀相固一液体系 。 Gi d a s p o w模型 ：模 型对 于高浓度悬 浮的气 一 固和液一固流体，如流化床问题 ，推荐使用这个模 型方程 ，该方程结合 了固体体积分数低 于 2 0 时 适用的 We n Yu方程和解决高堆积 固体颗粒 的多 孔介质内流体问题的 E r g u n s 方程 。 由于搅拌 浸出槽 中固体颗粒 浓度较 高 ( a 。 = = ： l 5 4 O ) ，所 以选用 Gid a s p o w模 型来计 算模 拟 。 混合模型( t h e mix t u r e mo d e 1 ) 。该模 型 非常简单 ，认为多相是对称的 ，即所有相都是连续 相 。较为适合作为一级近似值或作为用户提供的计 算不分散液一液流或气 一液两相流界面传递模型的 基 础 。 自 由 表 面 模 型( t h e f r e e s u r f a c e ? mo d e 1 ) 。 自由表面流指 的是一个 多相流体( 一般 情况下 ，指水和空气)是分开的一个独特 的解析接 口。而 自由表 面模 型适用 于 自由表 面流 。如果 其 中 一 相在 另外 一相 里 面有拖 带行 为 ，则颗 粒模 型和混 合模 型亦 可用 于该 流动 的模 拟 。 拟均 相 模 型( t h e h o mo g e n e o u s mo d e 1 ) 。 均质多相流是一个 限制情况下 的欧拉 一欧拉 多相 流 ，其中的多相流体享有共同的速度 、温度 、湍流 和压力场等。拟均相模型适用于均质多相流 ，该模 型认 为相 间 的转移 率很 大 。 2 仿真实例 2 1 模 型 建立 根据实验室搅拌浸出槽 的尺寸来确定所建模型 的大小 ，由于只需要模拟有液体反应 的部分 ，因此 只建立 了搅拌浸出槽 的 1 3部分 。高2 0 0 mm，宽 3 0 0 mm，搅拌桨直 径5 mm，叶片长 2 0 0 mm、宽 2 O mm、厚5 mm ( 如 图 1 ) 。 工 四 0 1 I 2 Q Q I I 3 Q Q J 图 1 搅拌浸出槽尺