闭式涡轮搅拌器搅拌釜内流场的数值模拟.pdf

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1、第37卷第2期化工机械197闭式涡轮搅拌器搅拌釜内流场的数值模拟郑瑜。刘雪东刘文明(江苏工业学院)摘要利用计算流体力学(cFD)软件Fluent，对某工程实例的闭式涡轮搅拌器的内腔流场进行了三维数值模拟。分析了其流场的流动情况，包括正常工况下的流型、速度场分布情况，研究了搅拌器对物料流动特性的影响。计算结果表明，闲式涡轮搅拌器使釜内流场同时产生明显轴向流动和径向流动，搅拌混合效果良好，能够实现釜内物料的充分混合。关键词闭式涡轮搅拌器流场分析数值模拟中图分类号TQ051．7+2文献标识码A文章编号0254-6094(2010)02-0197-04搅拌设备在工

2、业生产中应用范围很广，尤其是石油化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应以及制备催化剂等。搅拌在促进釜内物料流动，使反应器内物料均匀分布，增大传质和传热系数，加速反应的进行等方面起着非常重要的作用。搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌设备的关键部件⋯。其功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一种高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动，这种循环流动的途径称为流型。搅拌器的流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切，搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。近年来，随

3、着计算流体动力学(CFD)的发展，对搅拌反应釜内腔三维流场的数值模拟研究日趋深入[2一纠。某公司气液两相搅拌反应釜现有搅拌器混合效果不理想，釜底有物料堆积。根据相关研究【6]，应该加强该反应器的轴向输送能力，使固体颗粒易于悬浮，使物料混合更加均匀，从而提高生产效率。因此提出了一种闭式涡轮搅拌器。闭式涡轮搅拌器不属于常规搅拌器的类型，它既可以产生很强的径向流，同时又可产生较强的轴向流，工业生产中有着较好的应用前景。然而，由于缺乏相应的理论研究，其市场推广进程缓慢。因此，笔者对闭式涡轮搅拌器的流场特性进行研究，利用计算流体动力学软件Fluent对搅拌釜的内腔流

4、场分布情况进行数值模拟，分析搅拌功率、速度分布以及浓度分布的变化情况，为搅拌器和搅拌反应釜的设计和结构优化提供理论依据。1CFD理论模型CFD方法的基本步骤就是建立控制方程，并离散化，然后求解离散方程，判断其收敛性从而得出计算结果。其中控制方程包括以下3个方程一J。质量守恒方程：警+div(pⅡ)=o1●⋯动量守恒方程：掣+diV(P五)=div(／zgrad“)一赛城掣+diV(p面)=div(肛grad沪考城半+diV(p瓦)=div(p舯d埘)一警+S。能量守恒方程：警+diV(p—wT)=div(寺删帅s，式中p——密度；·郑瑜，女，1982年2月

5、生，硕士研究生。江苏省常州市，213016。198化工机械2010年弘——动力黏度；t——时间；丁——温度；P——压力；k——传热系数；c。——比热容；S。，S。，S。——广义源项；Sr——黏性耗散项；l‘，t，，加——速度矢量五的3个分量。搅拌反应器的流场以湍流为主，对于这种高度非线性的复杂流动形式，需要对瞬态的Navier．Stokes方程作时间平均处理。Reynolds平均法(RANS)是目前应用最广泛的湍流数值模拟方法，本研究采用标准k-z模型和RNGk-8模型对搅拌反应器的流场进行数值模拟。标准k-8模型先求解湍流动能k方程和湍流耗散率￡方程，然

6、后再用得到的k和占的值计算湍流黏度，最后根据Boussinesq涡黏假设得到Reynolds应力的解，从而使Reynolds时均化方程组封闭[8]。RNGk-8模型是根据重正化群(RenormalizationGroup)理论，在标准k-e模型的基础上发展起来的改进形式，通过对黏度项的修正体现了小尺度的影响，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，因此可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动。2数值模拟2．1几何模型某公司气液两相搅拌反应釜直径为2400mm，高度为4000rI蚰，釜底封头高度为1200mill。以此为研究对象，按照该公司搅拌设备实际尺寸，为之配

7、套四层闭式涡轮搅拌器【9J，如图1所示。图1四层闭式涡轮搅拌器单个搅拌器模型尺寸如表l所示，搅拌转速设定为300r／min。表1闭式涡轮搅拌器结构尺寸mm利用Fluent通用前处理软件Gambit建立搅拌釜、圆盘涡轮搅拌器及釜内附件的实体模型，只考虑搅拌釜底至液面处(即流体所占体积)为计算流体区域，搅拌轴亦不考虑液面上方部分。2．2网格划分与边界条件网格划分的目的就是生成有限个微小的体积单元，然后在每一个微小体积进行流体的仿真计算，即有限体积法。网格的划分对数值模拟的结果有着很重要的影响。考虑提高收敛的稳定性，网格划分时，本算法选用四面体网格Tet／Hyb

8、rid；类型为Tgrid。采用旋转坐标系解决了静止部件和转动的搅拌