多相流攪拌器流場數值模擬軟件

摘 要: 為對攪拌器多相流體間的**終乳化結果進行模擬,結合 FLUENT 與 ANSYS 軟件,以 VB 為
 
前臺程序開發攪拌器流場數值模擬軟件. 用 VB 開發用戶交互界面,通過后臺調用 ANSYS 的 APDL
 
完成前處理模塊,實現攪拌器葉片、筒體的建模,網格劃分和組元創建;通過后臺調用 FLUENT 運行日志文件實現流體流場仿真運算與結果后處理,并以圖形和文本輸出到 VB 開發的用戶界面. 實例表明,與 FLUENT 公司開發的 MixSim 比較,該軟件的優勢是能模擬出多相流體攪拌后相分布規律;通過改變攪拌器相關參數,容易實現參數的優化,特別是攪拌器葉片轉速的優化. 0  引  言     攪拌設備在化工、食品、冶金、造紙、石油和水處 理等行業中應用廣泛. [1]   尤其是在化學工業中,攪 拌釜式反應器( 以下簡稱攪拌器) 是在化工生產中   應用**廣泛的反應器之一. 雖然目前對攪拌器已有許多的實驗和理論研究,但相關的理論及設計計算方法仍不完善,在工業過程中設計和放大的主要方法依然是半經驗的方法,需大量的實驗數據和數學模型來描述反應器中的流體運動情況.
 
隨著計算機技術的高速發展,計算機運算速度也大幅提升,使得以計算機數值模擬方式研究攪拌器流場逐漸成為可能. 在多數情況下,對攪拌器的流場模擬能得出許多有用的結果. 如對于多相流問題,可通過流場模擬的方法得出在一定轉速情況下多種流體乳化的相分布規律,同時也能得出在該轉速情況下的攪拌器運行功率及攪拌混合時間,而這 2 種
 
結果正是攪拌器設計過程中比較難解決而又**要解決的 2 個**問題. 目前,FLUENT 公司已開發有一款專門針對攪拌器流場的數值模擬軟件 MixSim,
 
但 MixSim 只針對單相流場的數值模擬,對于多相流體間的**終乳化結果不得而知.
近年來,**內外許多學者對多相流攪拌混合作
 
[2]
了大量的實驗與數值模擬研究. 陳濤等 以珍珠巖顆粒和清水為材料,通過實驗與數值模擬研究在 3
 
層槳葉作用下珍珠巖顆粒的分布規律,驗證數值模
 
  [3] [4] [5]
擬的準確性; 閔健  、侯拴弟等  、周**忠等  、
[6] [7] 的計算流體力學
JAWORSKI 等 和**衛京等
( Computational Fluid Dynamics,CFD) 數值模擬與實驗研究證明多相流攪拌數值模擬的可行性.
 
FLUENT 是目前流行的流體仿真軟件,其日志文件( Journal) 為 FLUENT 自動化處理提供支持. 8
 
在被 ANSYS 公司收購后,FLUENT 與 ANSYS 軟件一道分別成為 ANSYS 公司旗下強大的流體和固體
[9]
仿真軟件. ANSYS 軟件在參數化建模 方面有著獨特的優勢,使得 ANSYS 在眾多 CAE 分析軟件中獨**風騷;而 FLUENT 軟件本身不具備建模功能,通常都是利用第三方軟件 GAMBIT 作前處理,即建模.
 
結合 FLUENT 和 ANSYS 軟件各自的優點以及
 
FLUENT 被 ANSYS 公司收購的情況,提出用 VB 開
 
發用戶交互界面: 先通過后臺調用 ANSYS 運行
 
APDL,完成 FLUENT 軟件的前處理模塊,實現攪拌器葉片、筒體的建模,網格劃分和組元創建;然后通過后臺調用 FLUENT 運行日志文件,實現流體流場仿真運算與結果后處理.
 
1 ANSYS 幾何建模
 
1. 1 筒體及附件
 筒體及附件結構可表示為:筒體 + 擋板或導流筒 + 上封頭、下封頭. 筒體部分建模相對比較簡單;而擋板設計中考慮矩形擋板和橢圓形擋板 2 種擋板 
形式,其參數包括擋板幾何參數和位置參數. 幾何參數中對流場影響較大的是擋板的寬度;擋板的厚度 ( 橢圓擋板為橢圓截面短徑) 按默認比例設置;擋板的高度通過位置參數控制,即擋板距離筒體底部和上端部位置進行設置;周向位置采用均布方式;軸向位置通過與筒體壁的距離進行設置. 這樣,擋板和導流筒的輸入參數幾乎一樣,在 VB 中可采用同一界
 
面進行處理. 上、下封頭可考慮平底封頭、橢圓封頭 ( 圓形封頭) 以及錐臺封頭等.
 
1. 2 攪拌器葉片
 
攪拌器葉片初步考慮目前常見的 10 余種葉片
[1]
 
形式. 由于攪拌軸對流場的總體影響相對較葉片的影響低許多,在建模中未考慮攪拌軸建模部分,降低建模的復雜度. 葉片可安裝在攪拌器中任意位置處,包括偏心安裝和斜插安裝等;葉片也可以多種葉片的形式組合安裝,只要位置合適、不形成干涉即可. 由此,每個葉片的輸入參數除幾何尺寸以外,還需幾個位置控制參數:距底面高度、偏心距離、軸向安置角、環向安置角以及葉輪轉速等. 在 FLUENT
 
中,軟件采用滑移網格法,因此在攪拌器模型建成后,需以一個筒體將葉片包圍并從整個模型中分割出來,為形成多參考坐標系下的滑移網格作準備.
  序自動判斷是否滿足周期性條件,如果滿足,則依據
  操作員的設置進行周期性或非周期性計算.
2  FLUENT 中流體及邊界條件設置

在 CFD 多相流仿真中,通常將固體顆粒作為一種擬流體進行處理. 為較真實地模擬工程問題,推薦的流體為液 - 液 - 氣三相,通常設**上層為氣相,這樣可方便地觀測氣液分界面流體的波動情況. 當然也可不考慮氣相,直接在液面采用對稱性邊界條件.
 
綜合考慮各種因素,多相流模型采用混合 ( Mixture) 模型;湍流模型采用標準的 k-ε 模型;壁面
 
采用近壁條件. 在 FLUENT 中可以識別一些簡單的
 
ANSYS 中設置的邊界,但在參數化設計時,該方法不易實現. 本文在 ANSYS 中進行所有邊界的選擇,形成各自的 Component( 組元) ,并按特性命名,以便在 FLUENT 中按名稱區分邊界并進行設置. 如對于一個對稱問題,涉及的部分組元名稱見圖 1. 圖中 sl
 
與 sr 分別代表周期邊界的左、右二側;in 和 out 分別代表滑移界面的內部和外部;bldw1 代表葉片壁面,其后跟隨的數值表示是第幾個葉片 ;fld_1 與fld_2
代表分屬哪個流體區域;fixw 代表與筒體外壁面相
聯系的面;sldw 代表與滑移界面相聯系的面等. 依據
Component 的字母組合即可在 FLUENT 中進行邊界
條件的設置.  


3. 1  VB 與 ANSYS 之間的交互
當 VB 調用 ANSYS 進行建模計算時,需判斷
 
ANSYS 是否運算完畢,以便進行后續工作. 為此,程
序設計在生成 ANSYS 的 APDL 程序段末尾加入 2

條語句:“* create,end_of_file,mac”與“* end”,以
生成一個空的宏文件“end_of_file. mac”. VB 依據文
 
件夾中是否存在 end _ of _ file. mac 文件來判斷
ANSYS 是否運行完畢. VB 與 ANSYS 之間的數據交

換主要用于在 VB 中實現圖形預覽功能. ANSYS 批
 
處理運行的語句為“ANSYS _ path ANSYS120. exe
 
- b - np - i input_file - o output_file”,其中 input_
 
file 即為 VB 中生成的 APDL 文件,output_file 為輸出文件,在此沒有特定用途,可任意命名. - np 為并行運算參數,p 為并行運算的數目,對雙核和四核
 
CPU 而言,其分別為 - n2 和 - n4. ANSYS _path 為 ANSYS 可執行文件的路徑. 在程序設計中 ANSYS_ path 與 p 的數值通過讀取環境變量進行自動設置.
 
在 VB 運行外部程序時,只需一個 Shell 命令即可.
 
2. 2  VB 與 FLUENT 之間的交互
 
VB 與 FLUENT 之間交互,不僅要實現圖形預覽功能,而且還要讀取少量的文本數據,如計算完畢后扭矩數值、某截面的相分布數據以及計算前的邊界條件設置等. 同與 ANSYS 交互類似,VB 也通過生成 FLUENT 的 Journal( 日志文件) 來控制其運行、結
 
果輸出,然后在 VB 下實現結果的讀取與顯示. 運行
 
日志文件的語句為“fluent_path fluent 3d  - hidden
 
- tp - i input_file  - o output_file”. 其中,- hidden
 
指定在運行 FLUENT 時前臺不顯示,- tp 為并行運算參數,p 為并行運算的數目. 由于 FLUENT 運行時間較長,需實時顯示 FLUENT 的運行進度,可通過讀取 FLUENT 下生成的圖形文件編號了解程序的運行情況以及判斷程序是否運行結束.
 
3. 3 ANSYS 與 FLUENT 之間的數據交換
 
FLUENT 提供與 ANSYS 的數據接口. 在劃分完網格并進行相關的設置后,通過在 ANSYS 中輸入
“Allsel,all”與“CDwrite,db,filename. cdb”2 條命令來輸出網格數據文件,然后在 FLUENT 中通過命
令 /file /import /mechanical - apdl /input filename.
 
cdb  實現網格讀入操作.
 
4 運行實例
 
設計一個筒體,直徑為 1 m,直筒部分高為 1 m; 上端采用對稱性設置,下端為平底封頭;安裝一圓盤渦輪式 6 折葉葉片,葉片外徑 500 mm,葉片高
 
120 mm,葉片距離底部 300 mm,中心安裝折葉角為 45°. 考慮 2 種流體,其密度分別為 998 kg /m3 和
 
950 kg /m3 ,黏度均為 0. 001 Pa·s;所占容積高度分別為 600 mm 和 400 mm. 不同轉速時的相分布見圖
3.
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