两种不同挡板的双层桨搅拌槽三维流场数值模拟.pdf

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1、第41卷第2期化工机械2ll两种不同挡板的双层桨搅拌槽三维流场数值模拟施阳和‘赵进(华东交通大学机电工程学院)摘要采用CFD方法分别对三角形挡板和长方体空心挡板的双层斜直叶桨搅拌槽在水中产生的三维流场进行数值模拟，选取多重参考系法争标准k-s湍流模型进行模拟，对两者的轴向平面速度场和时均速度分布进行了详细的对比分析，研究结果对搅拌槽的设计和实际应用具有重要的参考价值。关键词搅拌槽挡板三雏流场数值模拟中图分类号TQ051．7文献标识码A文章编号0254-6094(2014)02-0211-05搅拌是过程工业中常见的单元操作之一，在冶

2、金、化工、生物、制药以及废水处理等行业中应用非常广泛⋯。在搅拌槽中旋转的搅拌桨与固定挡板的相互作用，使槽内的流动呈复杂的准周期性三维非稳态湍流特性¨1。侯拴弟等对单层涡轮桨搅拌槽内的流动场进行了数值模拟研究"J。JavedKH等用滑移网格法法对六直叶涡轮搅拌桨的混合时间进行了模拟HJ。朱向哲等利用计算流体力学软件，采用标准k-e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、紊流动能和能量耗散，讨论了不同桨间距对流场、紊流动能和能量耗散的影响¨1。不同挡板的搅拌槽的性能和用途各不一样。近年来出现的指形挡板、椭圆截

3、面挡板、凹形挡板、半釜挡板以及扭转元件挡板等都是针对不同的混合目的满足其搅拌要求。随着计算流体力学(CFD)理论和计算机技术的发展，CFD仿真成为研究流场变化的有效方法旧1，CFD为流场分析、计算和预测提供了一种建模工具⋯。笔者采用CFD软件Fluent，选取多重参考系法和标准k-e湍流模型对三角形挡板和长方体空心挡板两种双层斜直叶桨搅拌槽在水中产生的流场进行了数值模拟，并且分析了两种搅拌槽的轴向速度、径向速度和周向速度。1搅拌槽模型笔者研究的搅拌槽为圆筒形，其实际尺寸为：直径D=3800mm，总高度H=3800mm，圆柱高度风=

4、3000mm，液面高度H2=2500mm，搅拌轴直径d，=120mm。采用斜直叶桨叶轮，直径d：=1750mm，底部桨叶距圆柱体底圆面高度C。=280mm，顶部桨叶距圆柱体底圆面高度C：=1780mm。三角形挡板宽度b。=360mm，内角口=60。；长方体空心挡板宽度b：=400mm，厚度6。=300mm，空心宽W=180mm，高h。=1600mm，两种挡板安装在距离槽体表面边缘L=400mm。如图1所示为两种不同挡板的搅拌槽模型，图1a为三角形挡板搅拌槽，图1b为长方体空心挡板搅拌槽}施阳和，男，1965年11月生，副教授。江西

5、省南昌市，330013。a．三角形挡板212化工机械2014年b．长方体空心挡板图1两种不同挡板的搅拌槽模型2流场分析2．1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，为了保证计算精度和加快计算速度，流动区域和静止区域设置网格尺寸大小都为60mm，网格的总数约为90万。采用速度，m·s赡囊a．三角形挡板CFD软件Fluent，选取多重参考系法对其流场进行数值模拟旧1。根据流动的对称性划分了3个区域，即相对静止区域和流动区域：将两个圆柱体区域划分为两个叶轮转动流动区域swirll和swirl2，这个

6、两个区域为旋转的动区域，动区域圆柱体直径db=1800ram，高hb=560mm；除去流动区域和挡板的区域设置为相对静止区域stationary。2．2模拟分析2．2．1菇=0平面速度场图2是搅拌槽在戈=0处的轴向平面速度矢量图。由图2可知，在上下两个桨叶区里，轴向速度基本向上，近壁处则向下流动，两层桨之间的流场虽然略显混乱，但仍可看出轴向速度占优势。由双层桨搅拌的流场分别在两层桨的下方各形成一个较大的轴向流动的循环涡环，左边的涡环循环的方向是逆时针，右边的涡环循环方向是顺时针。b．长方体空心挡板图2两种搅拌槽在龙=0处的轴向平面

7、速度矢量图由图2a可知，两层桨叶问的区域在底部桨叶周向运动的带动下，在两个漩涡的交接处产生了径向向运动，而在图2b中则不明显，说明在三角形挡板中底部桨叶运转带来的湍流比长方体空心挡板要强烈一些。2．2．2Y=0平面速度场图3是搅拌槽在Y=0处的轴向平面速度矢量图。由图3可知，两层桨叶之间的区域以径向运动为主，并且三角挡板对径向运动影响较为剧烈，径向速度较大。在Y=0的轴平面，整个流场仍然是在两层桨叶区域形成了两个较大的涡环，左边区域流场为逆时针运动，右边区域流场为顺时针运动，有利于搅拌槽中流体的能量交换和物料的混合。速度，¨l·s

8、。a．三角形挡板l；：i‘；Jh：兰：兰№m脚抽枷弧渤m蜘mmmm挑蛳、兰m‰淞￡2l，{i，●，{e十6；j?，；赶—■囊缀誓■■—■_■●第41卷第2期化【：机械213hK／J1t。≯心¨傲图3两种搅拌槽在Y=0处的轴向平面速度矢量图从图3b可