不同搅拌参数的双层浆搅拌槽三维流场数值模拟

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2013.07.015不同搅拌参数的双层浆搅拌槽三维流场数值模拟李志刚，贾慧芳，王健(华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室，南昌330013)摘要：运用 Fluent软件，采取多重参考系法( MRF )和标准 k- 紊流模型对搅拌槽在水中产生的流场进行数值 模拟，分析了桨叶高度和转速对三维流场的影响，并对其宏观流动特性和时均速度分布进行详细对比分析。结 果表明，当上桨叶高度为 1 200 mm、转速为 1 909 r/min ( 200 rad/s)时，搅拌效果最佳。关键词 ：搅拌槽；搅拌参数；多重参考系法；数值模拟 中图分类号

2、： TB115 文献标志码： A 文章编号： 1007-7545( 2013) 07-0000-00Numerical Simulation of Three-dimensional Flow Field in Different StirringParameters of Stirred Tank of Double-folded BladesLI Zhi-gang, JIA Hui-fang, WANG Jian(Key Laboratory of Ministry of Education for Conveyance and Equipment, East China Jiaotong

3、 University, Nanchang330013, China)Abstract: The flow field of stirring tank produced in water was numerically simulated by Multiple Reference Frame (MRF) and standard k- turbulent model. The effects of blade height and rotating speed on three-dimensional flow field of stirring tank were analyzed. T

4、he macroscopic flow characteristics and averaged velocity distribution were compared and analyzed in detail. The results show that the optimum stirring effect is obtained under the conditions of blade height of 1 200 mm and rotating speed of 1 909 r/min (200 rad/s).Key words: stirring tank; stirring

5、 parameters; multiple reference frame; numerical simulation搅拌槽广泛应用于化学工业、石油化工行业、生物工程、制药工程、材料加工以及食品加工等领域1 。在搅拌槽中，旋转的搅拌桨与固定的挡板相互作用，使槽内的流动呈现复杂的准周期性三维非稳态湍流特性2 。Suzukawa 等 3用激光多普勒测速仪对开启涡轮搅拌桨倾斜角度对桨叶处尾涡的影响进行了研究。朱向哲等4利用计算流体力学软件，采用标准 k- 紊流模型，分析了非稳态情况下双层涡轮桨搅拌槽内流体的三维紊流流场、 紊流动能及能量耗散，讨论了桨间距对流场、紊流动能及能量耗散的影响。本文运用 F

6、luent 软件，采取多重参考系法（ MRF ）和标准 k- 紊流模型对搅拌槽在水中产生的流场进行数 值模拟，并分析不同的搅拌参数（桨叶高度、转速）对其三维流场的影响，并对其宏观流动特性和时均速度分 布进行详细对比分析。1 流体数学模型假设： 1）搅拌槽内流体的时均运动为稳定流动，忽略周期运动对流场内流体宏观运动的影响。2） 流体为连续、不可压缩的牛顿流体，搅拌槽内流动为各向同性湍流。在圆柱坐标系下，通用状态参数 的通用守恒方程 式参考文献 5 。2 CFD 数值模拟2.1 几何模型搅拌槽直径为 1.5 m，其中 V 形槽高 0.8 m，圆筒高 3.0 m ，总高度为 3.8 m，上下桨叶尺寸

7、如图 1所示，上 桨叶距离水面 0.8 m，水面距搅拌槽顶部 0.4 m。搅拌槽的几何模型见图 2。收稿日期 ： 2012-01-29基金项目： 江西省对外科技合作项目（ 20121BDH80016 ） 作者简介 ：李志刚（ 1971-），男，黑龙江呼兰人，副教授，博士图 1 上下桨叶尺寸Fig.1 Size of upper and lower blade图 2 搅拌槽几何模型Fig.2 Geometrical model of stirring tank2.2 网格划分及边界条件设定 将搅拌槽模型导入 Gambit 软件中， 采用非结构化三角形划分其网格， 为了计算精度以及加快计算速度，

8、流 动区域和静止区域网格尺寸大小都设置为30 mm。运用 Fluent 软件，采取多重参考系法( MRF)6，桨叶及其附近流体区采用旋转坐标系， 其它区域采用静止坐标系， 并且采用标准 k- 紊流模型对搅拌槽在水中产生的流场 进行数值模拟分析。3 不同桨叶高度对流场分析3.1 宏观流动特性分析3.1.1 铅垂面速度场对比为了分析桨叶高度对搅拌槽流场的影响，现选取上桨叶高度分别为1 000、1 200和 1 500 mm ，将桨叶区域流体旋转速度都设置为 1 432 r/min(150 rad/s) ，分析其宏观流动特性。其铅垂面速度矢量图见图3。(c)-1 500 mm(a)-1 000 mm

9、 (b)-1 200 mm图 3 不同上浆叶高度铅垂面速度矢量图Fig.3 Vertical plane velocity vector of different height of upper blades由图 3a 可知，上桨叶上下只形成了一个单环流漩涡。上桨叶下方的速度较大，速度变化较大，上桨叶上方流场变化不大， 搅拌混合效果不佳， 不利于搅拌槽的运用。 由图 3b 可知， 上桨叶的上下各形成了两个双环流漩 涡，上方的漩涡较下方的大得多，速度变化不快，变化较均匀，大水体上下流场混合较充分。由图3c 可知，上桨叶的上下各形成了两个双环流漩涡，上下漩涡形状几乎相等。由此可知，随着桨叶高度的增

10、加，上桨叶根部 的流场速度变化不是很大。3.1.2 水平面速度场对比为了分析上桨叶高度对搅拌槽在水平面流场的影响，选取上桨下方 200 mm 处的截面进行分析。图 4 为其水平面速度矢量图。(a)-1 000 mm (b)-1 200 mm (c)-1 500 mm图 4 不同上浆叶高度水平面速度矢量图Fig.4 Horizontal plane velocity vector of different height of upper blades从图 4a 可看出， 截面处流场受上下桨的转动相当明显， 其轴向速度较大， 尤其是桨叶边缘处的速度较大， 中心处的速度则相对较小。 从图 4b可看出

11、， 在靠近大水边缘的部分， 其轴向速度较大， 说明其上下水域流场混 合明显。从图 4c 可知，在靠近大水边缘的部分，其轴向速度较小，说明其上下水域几乎是相对独立的区域。 3.2 时均速度分布 3.2.1 轴向速度对比 为了分析上桨叶高度变化时搅拌槽的时均速度分布，需要将其直线上的轴向速度图、周向速度图、径向速 度图进行对比，分析其在各点处的速度变化。图 5 是上桨叶高度变化时搅拌槽的 x=0.5 m、 z=0 m、 y=01.5 m 的直线上的轴向速度分布图。规定其轴向 速度方向与 Y 轴相同时为正，反之，则为负。(a)-1 000 mm(b)-1 200 mm图 5 不同上浆叶高度轴向速度分

12、布图(c)-1 500 mmFig.5 Axial velocity profile of different height of upper blades由图 5 可知，其轴向速度从零点开始，先开始上升，然后小幅下降，再上升到峰值，然后逐渐下降到零点 以下，再缓慢上升到零点左右，最后再次下降到最低点。3.2.2 周向速度对比图 6是不同上桨叶高度时搅拌槽在 x=0.5 m、z=0 m 、 y=01.5 m 的直线上的周向速度分布图。规定其周向 速度方向与旋转方向相同时为正，反之，则为负。(a)-1 000 mm(b)-1 200 mm(c)-1 500 mm图6 不同上浆叶高度周向速度分布图

13、Fig.6 Circumferential velocity profile of different height of upper blades由图 6 可看出，在 y=0.45 m 处的周向速度从零点开始急速上升到达峰值，再逐渐下降到零点左右。从图 6c可看出，在y=0.81.2 m 处的周向速度一直为零， 在 y=1.21.5 m处的周向速度急速上升。说明上桨叶高度为 1 500 mm 时搅拌区域分成了两个独立的区域，不利于搅拌混合。3.2.3 径向速度对比图 7 是不同上桨叶高度时搅拌槽在 x=0.5 m、 z=0 m、 y=01.5 m 的直线上的径向速度分布图。(a)-1 000

14、 mm(b)-1 200 mm图7 径向速度分布图Fig.7 Radial velocity profile由图 7a、7b 可知，其径向速度从零点开始先小幅下降，然后上升到峰值，再下降到零点以下。然后再次上 升到峰值，然后再次下降到零点左右。从图 7c 可看出，其径向速度从零点开始先小幅下降，然后上升到峰值， 再下降到零点以下，然后又缓慢增大，到 y=1.35 m 以上时，开始急剧增大，在 y=1.5 m 时达到最大值。4 不同转速的流场分析为分析转速对搅拌槽三维流场的影响，将桨叶区域流体旋转速度分别设置为955、1 432和1 900 r/min（即100、 150和 200 rad/s）

15、，同时将上桨叶高度设置为 1 200 mm，分析其宏观流动特性和时均速度分布。4.1 宏观流动特性分析4.1.1 铅垂面速度场为了分析转速对铅垂速度场的影响，特在Z=0 截面处截面，以分析转速变化期间，铅垂速度场的变化趋势。图 8 是其铅垂面速度矢量图。(a)-100 rad/s(b)-150 rad/s (c)-200 rad/s图8 不同转速时的铅垂面速度矢量图Fig.8 Vertical plane velocity vector of different rotating speed从图 8 可看出，浆叶叶片端部的水流随着桨叶的转动迅速向边缘流动，向挡板和壳体冲撞，一部分沿着壳 体内壁

16、向上流动，另一部分则沿着内壁向下流动，变成径向水流流到叶片的根部。上桨的上下方各形成了两个 漩涡，浆叶叶片端部水流的速度方向与叶片的轴线方向相同。随着转速的增大，铅垂速度的数值逐渐增大。 4.1.2 水平面速度场为了对比转速变化对水平面速度场的影响， 所以三种搅拌槽均在 y=1.25 m 截一水平面， 然后分析在这个水 平截面处的速度场变化，结果见图9。(a)-100 rad/s(c)-200 rad/s(b)-150 rad/s 图9 不同转速的水平面速度图Fig.9 Horizontal plane velocity vector of different rotating speed图

17、9 表明，三种搅拌槽的矢量轮廓几乎都一样。转速越高，在水平面上的径向速度和周向速度的数值就越 大。由此可知，转速对水平面速度的影响较明显。4.2 时均速度分布4.2.1 轴向速度对比图 10是不同转速时搅拌槽在 x=0.5 m、z=0 m、y=01.5 m 的直线上的轴向速度分布图。规定其轴向速度方 向与 Y 轴相同时为正，反之，则为负。(a)-100 rad/s(c)-200 rad/s(b)-150 rad/s图 10 轴向速度分布图Fig.10 Axial velocity profile从图 10a、10c 可看出，三种搅拌槽的轴向速度分布曲线基本一致。当转速增大以后，速度先减小，然后

18、上升到峰值以后再次下降到零点左右，最后上下起伏。从图10b 可看出，其轴向速度先上升到峰值以后，再减小到零点以下，然后上升到零点左右，最后上下起伏。4.2.2 周向速度对比图 11是不同转速时搅拌槽在 x=0.5 m、z=0 m、y=01.5 m 的直线上的周向速度分布图。规定其周向速度方 向与旋转方向相同时为正，反之，则为负。(a)-100 rad/s(b)-150 rad/s(c)-200 rad/s图 11 不同转速的周向速度分布图Fig.11 Circumferential velocity profile of different rotating speed图 11 表明，三个模型

19、的速度轮廓几乎相同，说明转速对周向速度的影响仅表现在数值的变化上，而对流场 的影响不是很大。4.2.3 径向速度对比图 12是不同转速时搅拌槽在 x=0.5 m、z=0 m、y=01.5 m 的直线上的径向速度分布图。(a)-100 rad/s(b)-150 rad/s(c)-200 rad/s图 12 不同转速的径向速度图分布图Fig.12 Radial velocity profile of different rotating speed对比图 12a、12c 可知，其速度变化趋势是一样的，但速度的数值却随着转速的增大而增大，两个峰值是在 桨叶上的点。从图 12b 可看出，其周向速度从零点开始上升，到达下桨面上时，达到第一个峰值，然后逐渐下 降，当到达上桨时，到达第二个峰值，再往上升时，速度逐渐下降。5 结论1) 随着上桨高度的上升，上桨周围的流场由“单环流”逐渐变化为“双环流”，速度极值均出现在桨叶端部。当上桨高度过高时，会形成两个独立的搅拌区域，不利于搅拌，搅拌效率也不高。2) 随着转速的增大，对水平面的周向速度和径向影响较为明显，轴向速度则变化不大。随着转速的增大， 对流场轮廓的影响不大，仅表现在各点的速度数值变化。3) 当上桨叶高度为 1 200 mm、转速为