搅拌器内部流场数值模拟
王战辉;李瑞瑞;范晓勇;何筱蓉
【摘 要】搅拌操作是工业反应过程中的重要环节,搅拌混合设备在化学工业中担当着非常重要的角色,优化搅拌设备,提高其自动化、智能化水平对于保证搅拌质量、提高搅拌效率有着重要的现实意义.笔者以十字搅拌器和圆角十字搅拌器为研究对象,采用FLUENT软件对搅拌器进行数值模拟研究,分析其内部流场的流动变化情况.结果如下:(1)十字搅拌器的搅拌非常不均匀,速度变化很大,这对流体搅拌是非常不利的;(2)随着圆角半径增大,搅拌速度减小;(3)当圆角半径增大时,搅拌趋向均匀. 【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2013(041)017 【总页数】2页(P159-160) 【关键词】搅拌器;流场;数值模拟 【作 者】王战辉;李瑞瑞;范晓勇;何筱蓉
【作者单位】榆林学院化学与化工学院,陕西榆林719000;榆林学院学院,陕西榆林719000;榆林学院化学与化工学院,陕西榆林719000;榆林学院化学与化工学院,陕西榆林719000 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ021.1
搅拌器是以叶片旋转输送流体的一种机械，用于两种或两种以上不同物质之间相互
混合、加速传热传质过程［1－4］。搅拌作为过程工业的基础环节，优化搅拌设备，提高其自动化、智能化水平对于保证搅拌质量、提高搅拌效率有着重要的现实意义，设计和优化的最终目的是高效地输送流体。近年来，随着我国经济的快速发展，搅拌器广泛用于化工、涂料、冶金、石油、生化、医药、食品、环保等行业［5］。优化搅拌设备，即对搅拌设备的机械系统以及控制系统进行整体设计、改进，使其符合搅拌设备的机电一体化发展趋势要求，力求制造成智能化的化工机械设备，并能更好的保证搅拌质量和效率。对于搅拌器的研究已经进行了很多，但是大多数叶片与轴之间是直角安装，而关于圆角安装还没有涉及，因此对于圆角搅拌器的理论研究具有重要的意义［6－8］。
文章利用FLUENT软件对十字搅拌器和不同圆角的圆角十字搅拌器中的流体流动情况进行了数值模拟，模拟结果为搅拌器的选型和设计有一定的理论指导意义。 1 数学模型建立求解 1.1 几何模型
十字搅拌器两长直角边高为9厘米，宽为2厘米，筒体半径为20厘米，其中o点为坐标原点，搅动部件的角速度为0.5 rad/s，采用Gambit软件建立几何模型并划分网格，考虑模型比较规则简单，因此直接采用结构化网格。几何模型如图1所示，网格划分图如图2所示。改变圆角半径就得到圆角十字搅拌器。 图1 十字搅拌器几何模型Fig.1 Crossing stirrer geometry model 图2 十字搅拌器网格划分图Fig.2 Crossing stirrer meshing figure 1.2 控制方程 连续性方程:
N－S方程:
1.3 边界条件与求解方式
选择计算模型为к－ε模型，采用隐式算法，压力速度耦合采用SIMPLE方法，一阶迎风格式，求解器选用系统默认的求解器FLUENT5/6，介质是不可压缩性液体，采用滑移网格模型 MM 进行求解［9－10］。
边界条件:在控制面板按钮中，根据条件设置将内外圆组成的圆环区域1边界条件的区域类型设为fluid;将内圆与十字搅拌器组成区域2的边界条件的区域类型设为fluid;直叶搅拌器的所有边定义边界条件类型为WALL;因为圆环区域1和内圆与直叶搅拌器组成的区域2都包含内圆，所以将区域1对应的内圆的边界条件类型设为WALL，将区域2对应的外圆的边界条件类型也设为WALL。 2 数值模拟结果
图3为十字搅拌器和圆角十字搅拌器的速度矢量图，由图3可以很清晰的看出:十字搅拌器和圆角十字搅拌器的空间位置发生了改变，其速度沿搅拌桨叶运动的方向运动，说明FLUENT软件对于搅拌器的计算有很高的准确性，能形象直观的表示搅拌器内部流体的运动状态;圆角搅拌器混合效果比十字搅拌器好，圆角十字搅拌器流体扰动幅度大，速度梯度比较大，搅拌器附近有很大的紊流，能促进内部流体的混合。
对于十字搅拌器其桨叶旋转方向速度为0.0235 m/s;当圆角半径r=1 cm时，速度为0.0266 m/s;当圆角半径r=3 cm时，速度变为0.0259 m/s;当圆角半径r=5 cm时，速度变为0.0258 m/s;圆角十字搅拌器速度大于十字搅拌器，这是由于圆角的作用，圆角的存在减少了流动的死区，使流体获得的能量增大，所以速度增加;而随着圆角半径逐渐增大，搅拌速度随之减小，所以圆角半径不是越大越好，应该针对不同的系统选取合适的值。
图3 速度矢量图Fig.3 Velocity vector figure 3 结论
通过FLUENT数值模拟，可以得到以下结论:
(1)FLUENT软件能形象直观的表示搅拌器内部流体的运动状态;
(2)十字搅拌器的搅拌非常不均匀，速度变化很大，这对流体搅拌是非常不利的，而圆角搅拌器能克服上述弱点;随着圆角半径逐渐增大，搅拌速度随之减小; (3)当圆角半径增大时，搅拌越来越趋向均匀，圆角半径应取合适的值。 参考文献
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