六斜叶式搅拌器流场数值模拟.docx

郑州大学Zhengzhou UniversityCae课程论文六斜叶式搅拌器流场数值模拟Numerical Simulation of Shell-side Fluid-flow in the Six pitched blade stirrer专业班级：过程装备与控制工程3班作者姓名：郝苒杏作者学号：20090360310完成时间：2012年12月16日 目录摘要1Abstract11、背景与意义12、研究现状13、数学物理模型23.1基本控制方程23.2湍流模型介绍34、六斜叶搅拌器fluent数值模拟34.1搅拌器结构34.2几何建模44.3网格划分44.4模型求解设置54.5边界条件设置64.6残差设置74.7初始化并且迭代求解85结果分析85.1网格独立性考核85.2搅拌器流场速度矢量分析95.3搅拌器压力场分析106结论117参考文献11六斜叶式搅拌器流场数值模拟摘要本文以常规六斜叶搅拌器设备为研究对象，采用数值模拟的方法，研究了搅拌器搅拌釜内的流场特性的分布规律。研究结果表明:六斜叶搅拌器内流动呈现为一个位于搅拌叶片外侧的大漩涡和一个位于叶片下方的小漩涡，两个漩涡之间存在流体和能量的交换，在六斜叶搅拌器中，桨叶区湍动能较大，能量耗散率高。将CFD技术应用于搅拌器搅拌流场的分析，基于Naives-Stokes方程和标准ke 紊流模型，求解搅拌器的湍流场，数值模拟的结果对搅拌器水力优化设计具有指导意义。AbstractIn this paper, numerical simulation is eateries out to study the flow fields in three stirred tanks such as the general Pitched blade turbines(PDT)，the standard RUSHTON，and a stirred equipment with special usage. The results show that there is a large-scale vortex in the outer of the blade and a small vortex below the blade. The ruction stirred is vary little flow exchange between the vortices. The region of the stirred bale has a relative large turbulence and high turbulence dissipation rate. Stirrer CFD technology is applied to the analysis of the flow field, which is based on the Naives-Stokes equations and the standard k-e turbulence model and to solve agitator turbulence field. The numerical simulation results of the agitator is helpful to guide the design of its hydraulic optimization.1、背景与意义搅拌与混合是应用最广泛的过程操作之一，搅拌设备也大量应用于化工、轻工、医药、食品、造纸、冶金、生物、废水处理等行业中。由于相际接触面积大、传热传质效率高、操作稳定、结构简单、制造方便等优点，使得搅拌设备既可以当做反应器应用于很多场合，例如在合成橡胶，合成纤维和合成塑料这三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器的约占反应器总数的85%一90%。同时也有大量的搅拌设备并不是仅用在化学反应中应用物料的混合、传热、传质以及制备乳液、悬浮液等。在很多化工过程中，例如水煤浆和原油的输送是煤化工，石油化的重要特征，这种高浓度的液体输送前需要有相应的搅拌过程来防止进行前可能的沉淀。在发酵工业中，搅拌操作同样占有非常重要的地位。发酵工业涉及到很多有氧呼吸的微生物，同时氧气在发酵液中的溶解度一般都很低。为了保证微生物基本代谢活动所需要的氧气，氧气的迅速有效的供给尤为重要。有氧发酵过程中所涉及到的搅拌操作主要是气液传质和分散。此外，(l)发酵过程中一般都伴随有中间补给，搅拌操作可以使补给原料和基料迅速混合，避免了局部的浓度过高。(2)微生物的代谢活动和搅拌过程都能产生大量的热，这些可以通过搅拌来强化传热从而使搅拌釜内的物料温度保持均匀。(3)可以使发酵液中的菌体和固体基质均匀的悬浮。在实现混合操作的过程中，转轮的搅拌推流形式起着很重要的作用。不同的转轮造成的搅拌推流效果差别很大，而不同的生产过程有不同的搅拌推流目的。本文将CFD软件应用于搅拌器的搅拌流场分析，对以后的设计和分析具有指导性的意义。2、研究现状流体混合问题实验研究方法始于十九世纪八十年代，1883年Reynolds在水平放置的玻璃管内加入染色剂，然后观察试管内流体的流动揭示了层流和湍流的存在。经过一个世纪的实验研究和理论探索，现在的流体混合技术已进去了告诉发展的时期。到这个世纪五，六十年代流场宏观特征的测量已经普遍得到应用。近年来，随着石油，化工等领域的快速发展，通过流场内部流动的了解来优化设计的要求越来越迫切。在计算机技术、数字技术、激光技术、图形处理技术这些相关技术快速发展的带动下，测量技术也不断更新，对流场内部细节的描述也变成了研究的重点。搅拌混合技术在20世纪中期得到了迅速发展，研究的主要问题是常规搅拌器在不同粘度的牛顿和非牛顿单相体系，固体颗粒以及小气泡在液体中混合的非均相体系中搅拌器的功率、混合时间、均匀程度等宏观特征进行试验研究。并积累了大量的设计经验和评估体系。但是目前将试验中的搅拌装置直接用于工厂生产中的批量或者大规模工业生产还有难度。对于试验设备的直接放大仍然是十分危险和毫无把握的事情。很多情况下还是采用传统的一级逐渐放大的方法，但这种方法不仅设计周期相当长，另外也会耗费大量的人力和物力。据有关部门统计，仅仅在美国一个国家，每年因为搅拌器设计的不合理而导致的经济损失就高达几十亿美元。另外，随着新型材料和新的搅拌技术方法源源不断的出现，对传统的搅拌设备和研究方法也带来了新的挑战。常规的搅拌器显然已经无法满足现代工业高效率，低消耗，环境无污染等要求，而传统的搅拌器的设计方法也面临着一系列的问题。是否能准确的描述和模拟高粘度非牛顿流体、复杂的多相流、多相藕合、各种化学反应己经成为当今极为迫切需要解决的问题。只有从根本上有效的解决这些问题才能使搅拌器的研究设计达到一个新的高度。近年来，光学、图像信息处理、数值计算以及计算机等领域的飞速发展使上述问题的解决成为可能。20世纪末期激光多普勒测速仪和粒子成像测速仪等的出现，以及计算流体力学的发展使得精确测量流场结构的细节成为可能。这些细致分析使人们读搅拌设备内部的流体特性了解更加深刻，这些使得过程装备的安全和优化设计成为现实，同时也提高了计算效率和降低了失败的风险，并达到提高反应产率的目的。在这种工业上的需要和科学技术的发展双重背景下面，使得搅拌混合技术迈进了一个全新的发展阶段。3、数学物理模型数值模拟结果的可靠性取决于物理模型及其依靠数学手段描述现实问题的数学模型的准确性。对管壳式换热器进行有效的数值模拟，建立准确可信的物理和数学模型是其关键。3.1基本控制方程体流动与传热要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统亦要遵守附加的湍流方程，控制方程是这些守恒定律的数学描述。质量守恒方程(连续性方程)： （1）动量守恒方程： （2）能量方程：（3）在本文中由于不牵涉热量交换，所以不用能量方程。3.2湍流模型介绍k-模型是fluent提供的一种湍流模型，它把涡粘系数和湍动能及湍动能耗散联系在一起，湍动粘度模型为： （4）是常量。在模型中，表示湍动耗散率的被定义为： （5）在标准k-模型中，k和是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为：(6)其中，是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，是由于浮力引起的湍动能k的产生项，代表可压湍流中脉动扩张的贡献， 、 和为经验常数，和是k方程和方程的湍流Prandtl数，和是用户自定义的源项。在本文中，常数取以下值： 、 、。4、六斜叶搅拌器fluent数值模拟4.1搅拌器结构六叶型搅拌桨叶片真实形状如图4-1所示。 图4-1 搅拌器桨叶片模型 图4-2 搅拌器整体结构4.2几何建模模拟所用搅拌槽体为平底圆柱体，槽体直径T=300mm，液面高度H=300mm，采用六斜叶搅拌桨，直径D=T/3，也叶片倾斜角为45度，其中心线距底面距离为T/3，工作介质为水，搅拌器转速为3.53rev/s，搅拌器主要尺寸如图4-3所示。图4-3 搅拌器主要几何尺寸4.3网格划分通过GAMBIT生成计算网格。GAMBIT是目前CFD分析中最好的前置处理器之一，它包含功能强大的几何建模能力以及先进的网格划分工具，可以划分出包含边界层等有特殊要求的高质量的网格。GAMBIT可以生成并处理结构化网格或者非结构化网格，主要包括的二维网格有三角形和四边形网格，三维网格有四面体、六面体、楔形和金字塔形网格。计算所用网格采用gamibit划分，并采用混合网格控制网格数量，提高计算速度。采用多参考系对搅拌器进行稳态的计算研究。多重参考系法将计算区域看成是静止部件和转动的搅拌桨之间的相对运动，采用两个参考系分别计算。将流体条件假想成定态。在计算过程将计算域分成包含搅拌桨叶的旋转区和静止区域。搅拌器内流域由液面、搅拌槽壁、搅拌桨、和搅拌轴组成，其中自有液面采用是粗糙度为0的壁面假设，网格划分结果如下图4-4和图4-5所示。 图4-4 静区域网格图4-5动区域网格4.4模型求解设置 (1)选择计算模型 打开solver，对于本例求解按照默认设置即可，如图4-6所示。 图4-6 求解设置图4-7湍流模型选择 （3）选择湍流模型，湍流模型选择k-模型，其他按照默认设置，如图4-7所示。 图4-8 操作工况设置 图4-9 材料设置（4）操作工况设置，如图4-8所示。（5）设置流体的物理属性，从材料库中把液态水复制进模型，根据换热器的参数来设置材料里的参数如图4-9所示。4.5边界条件设置在计算过程将计算区域分成包含搅拌桨叶的旋转区域和包括挡板和壁面的静止区域。搅拌器内流域由液面、搅拌槽壁、搅拌桨、和搅拌轴组成转动区域稳态计算选用MRF转动类型，非稳态选用滑移网格，转速为搅拌器转速。两区域的交界面设置成INTERFACE，参考压力为一个大气压，液面采用的是粗糙度为0的壁面假设。具体设置如下：1、 把动区域的motion type改为moveing reference frame，在rotatioal velocity 改为23rad/s，并且把旋转轴矢量改为y轴方向，如图4-10所示。图4-10 搅拌器动区域设置2、把桨叶的壁面改为moving wall，并设置相应参数改为rational，把旋转轴改为y轴矢量，如图4-11所示。图4-11 桨叶片壁面设置3、设置动静区域交界面，打开grid interface对话框，分别在interface zone 1和interface zone 2中选择interface-1和interface-2创建交界面，如图4-12所示。图4-12 创建交界面4.6残差设置打开残差设置对话框，进行如下设置如下图4-13所示 图4-13 残差设置 图4-14残差曲线4.7初始化并且迭代求解迭代1313步之后收敛到设定值，最终得到的残差曲线如图4-14所示。5结果分析5.1网格独立性考核利用gamibit软件用同样的划分网格方法，分别对搅拌器进行网格划分，划分的网格数分别是117220、165069、227750，并且以搅拌桨附近的直线的各个速度为考察变量，考察网格数目对结果的影响，得到的曲线图如图5-1所示。图5-1 轴向速度曲线图5-2 径向速度曲线图5-3 切向速度曲线从上图可以看出在径向的变化过程中轴向速度，径向速度，切向速度的变化，网格数为165069和网格数为227750的三个方向的速度分量的曲线己经基本上达到了一致，说明此时的网格已经达到网格无关化的要求。从图5-1可以看到轴向速度沿径向先增大后减小，然后到接近搅拌釜壁时又突然急剧变化。半径比较小时主要是这个区域是转动区域，搅拌桨的转动带动流体的运动使得速度沿搅拌桨逐渐增加，并在搅拌叶片叶尖部分达到最大值。叶尖外部由于流体的阻力使得速度逐渐下降，到搅拌釜壁面附近流体产生回流使得流体速度突然变化。从图5-2和5-3中沿径向变化趋势与轴向基本一样，相对来说轴向速度变化最为剧烈，切向速度最为平缓，主要是六斜叶桨为轴向流桨叶，产生的射流作用使得射流区域速度随着径向距离的增加而增大，然后在射流区外速度又慢慢随着径向距离增加而减小。，其中存在的差异，可能是由于模型的选取及其缺陷和湍流本身的复杂性，以及实验测量本身等一系列的因素的误差造成的。5.2搅拌器流场速度矢量分析以桨叶形式为六斜叶搅拌桨、流体介质为水。转速为3.53rev/s工况的流场模拟结果截取轴截面z=0mm和y=0mm时的横截面速度矢量图。由于稳态时三种网格的矢量图基本一样所以只是取网格数为165069时的矢量图进行说明。 图5-4 Z=0平面轴截面速度矢量图 图5-5 y=0横截面平面速度矢量图从图5-4可以看出最显著的流场结果是通过排出射流形成的由搅拌桨叶底面开始的一个大的循环，涡心是靠近搅拌釜壁面，距离搅拌釜底面约为1/3T的位置，这主要是由叶片旋转所产生的离心力造成的。射流的角度主要由叶片的叶片的倾斜角决定，另外一个小的循环出现在桨叶下方靠近轴的地方。速度最大区域是在桨叶的叶尖区，叶片的高速旋转，导致这个区域速度最大。而液面部分由于离搅拌桨的距离比较远，所以受到的影响很小，所以液面部分速度矢量最小。说明在远离搅拌桨的区域没有很好的搅拌效果。图5-5是y=0的横截面速度矢量图，即搅拌桨桨叶轴向中部的位置。从图中我们基本可以看出在搅拌桨旋转区域的速度值较大，搅拌区速度比较快主要是由于搅拌桨的旋转作用造成的。 图5-6 Z=0平面轴截面速度流线图 图5-7 y=0横截面平面速度流线图同图5-4与图5-5，图5-6与图5-7截取位置对应相同，图5-6是选取轴截面，我们可以在流线图中看见流体的流动轨迹，在桨叶下方，流体被斜桨叶产生的向下的推力推动，往下运动，在一定范围内碰到槽底形成顺时针的漩涡形运动趋势。而在下方流体流动轨迹会形成一个小循环，旋转桨叶在叶轮区产生高速的轴向射流，轴向射流在流动过程中夹带周围的流体碰撞到搅拌釜底面流体分别向左，向右形成一个大循环，一个小循环模拟成功的反应了六斜叶叶轮“双循环”流动形式当转速提高时槽内流场分布将更为均匀。图5-7同图5-5截取位置一样，是y=0mm时的横截面流线图，在高转速下，环绕叶轮的液流处于非各向同性的流动状态。因而产生了湍流。由于斜叶桨的抽吸作用，使得流体朝着搅拌区向下流动。图中可以看出，流体从搅拌釜壁面向搅拌区运动，明显同于径向流