不同类型搅拌器流场数值模拟_吴京平.pdf
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1、2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 13 不同类型搅拌器流场数值模拟 不同类型搅拌器流场数值模拟 吴京平,王胜胜,项锦欣,陈 志(重庆理工大学,重庆 400054)摘 要:摘 要:搅拌操作是工业反应过程的重要环节,所涉及的因素很多,物料在搅拌设备内部流动极其复杂。搅拌器内流场研究主要依赖流场测试技术和数值模拟计算。本文设计了几种不同类型的搅拌器,运用FLUENT 软件,对这几种搅拌器内的流场进行了数值模拟,计算出了几种不同搅拌器内的轴向、径向、切向速度,以此分析各种搅拌器的流型。关键词:关键词:搅拌器;流
2、场;数值模拟;流型 引 言 引 言 搅拌反应器适用于各种物性和各种操作条件的反应过程,应用范围十分广泛1-6。目前,搅拌器内流场研究主要依赖流场测试技术和数值模拟计算,测量手段主要有下列五种:放射粒子跟踪技术,电容层析成像技术,激光多普勒测速技术,相多普勒测速技术,和粒子图像测速技术。数值模拟技术可以有效地模拟搅拌器在各种情况下的流场情况7-12。通过 CFD(计算流体力学)丰富而强大的后处理功能可以直观地了解搅拌槽内的流场分布,可用于研究分析和改进搅拌器的性能。Shuyan Wang 等13采用数值模拟的方法对反应釜内的固液搅拌混合过程进行了计算,发现随着搅拌速度的增加,搅拌器内的湍动能和颗
3、粒速度都会增加,颗粒的波动性增强。杜友花14对实验室搅拌器内部流场进行了数值模拟研究,结果表明挡板能有效防止旋涡产生。杨文哲等15用数值模拟的方法研究了六直叶开启式涡轮搅拌器内部的流场,认为六面体网格的模拟结果更准确,并发现所模拟的六直叶开启涡轮式搅拌器混合效果较差。本文数值模拟了四种典型搅拌器内流场分布,分析不同搅拌器内的流场特点。1 数值模拟研究 1 数值模拟研究 1.1 网格划分 采用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT 来进行网格划分,为了控制网格数量,节约计算时间,采用六面体和四面体混合网格。采用多重参考系(MRF 模型)对搅拌器流场进行稳态计算。模拟搅拌器的尺寸见图 1。图
4、1 搅拌器尺寸图 图 1 搅拌器尺寸图 1.2 湍流模型 标准k-模型k和 的输运方程为:(1)(2)引入 Richardson 数对耗散方程进行旋流修正,修正后的输运方程为:(3)DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.09614 吴京平:不同类型搅拌器流场数值模拟 (4)湍流模型中各常数采用 Launder 所推荐的值:1.3 时均速度的数值模拟 机械搅拌反应器的搅拌性能直接关系到反应过程能耗和生产成本。搅拌器的流型取决于搅拌器的形式、搅拌器转速、构件的几何特征,以及流体性质等因素。搅拌器的改进和新型搅拌器的开发通常从流型着手,因为流型与搅拌效果、搅拌功率的关系非常
5、密切。对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒,流型一般分为径向流、轴向流和切向流这三种基本流型。1.3.1 合速度分布 (a)推进式搅拌器;(b)锚式搅拌器;(c)六直叶涡轮搅拌器;(d)六斜叶涡轮搅拌器 图 2 搅拌器轴截面合速度分布 图 2 搅拌器轴截面合速度分布 (a)推进式搅拌器;(b)锚式搅拌器;(c)六直叶涡轮搅拌器;(d)六斜叶涡轮搅拌器 图 3 搅拌器轴截面轴向速度分布图 3 搅拌器轴截面轴向速度分布 吴京平:不同类型搅拌器流场数值模拟 15 数值模拟的边界条件,设置搅拌桨和搅拌器的搅拌速度为 300r/min。从流场的模拟结果(图 2 为各搅拌器轴截面和横截面的合速度分布图)可以
6、看出,搅拌器叶片射流处流体速度最高,流动远离叶片,速度逐渐降低,叶片喷射出的流体进入周围大量低速运动的流体中,卷吸周围流体,并沿轴向和径向扩散。其中代表高速的为高亮度区域。高亮度区域的面积越大,速度云图分布范围越广,说明搅动范围越大,搅拌效果就越好。从以上四种搅拌器的云图可以看出,搅拌器叶片附近高亮区域集中,证明搅拌器周围流场搅拌效果最好。1.3.2 轴向速度分布 图 3 搅拌器的轴向速度云图(以轴截面为观测面),从图中可以看出搅拌器下部靠近搅拌轴的区域,以及搅拌槽壁面附近流体的速度较高,这是由于叶轮推动液体时,流体先沿径向运动,碰到搅拌槽壁面后会分别向上向下流动,即沿轴向流动,从而导致搅拌槽
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