開啟渦輪式攪拌器的流場分析及結構優化

摘要:對于開啟渦輪式攪拌器的攪拌流場,采用多重參考系法、標準 κε湍流模型和 SIMPLE算法,應用 Fluent軟件對其
 
進行數值模擬,并用PIV實驗進行驗證。結果表明:數值模擬與實驗結果基本一致,選用的 MRF模型符合實際;對葉片數為4、槳葉傾角為45°、槳徑為100mm的常用開啟渦輪式攪拌器在轉速為120r/min時進行模擬,發現槳葉區產生徑向流,在擋板附近形成漩渦,在釜底存在攪拌死區;對攪拌器葉輪設計參數進行優化,發現當槳徑為170mm、槳葉傾角為45°、葉片數為6時所產生的攪拌死區**少,攪拌效果**佳。
引言
 
攪拌器廣泛應用于農業、化工、食品、醫藥、發酵、排污等各種行業[1],攪拌器葉輪是攪拌過程的主要換能器件,不同結構參數的葉輪所造成的流場和混合效果差別很大,故對攪拌器進行流場分析和優化[2-3]成為必要。近日,隨著CFD[4-6]在攪拌釜中應用,可通過CFD對攪拌器進行流場分析和結構優化,較傳統的半理論半經驗的方法有更大的優越性,對攪拌釜的開發和調控產生重大影響。雖然CFD會縮短實驗周期,但是真實的流動情況需通過試驗來驗證[7]。
 
本文以 CFD 技術作為攪拌器流場分析和結構優化的理論分析基礎,并用PIV 驗證模擬的正確性。采用FLUENT對攪拌釜內流場進行了數值模擬,分析了開啟渦輪式攪拌器在不同結構下的流場,并對攪拌器進行優化,為攪拌器的開發和選型提供了依據。
 
1 實驗裝置
 
1.1 實驗模型
 
實驗所用攪拌釜為帶蝶形封頭的圓柱形釜體,直
 
徑D=290mm,液面高度 ,槳徑為=100mm,
葉片寬度=10mm,槳葉離底高度。為了減少

釜壁對光線的折射作用,將攪拌釜置于玻璃方槽中。釜體內有4塊擋板,擋板寬度=5mm,葉片數=4,流動介質為水。為避免激光照射到攪拌器表面行成散光,實驗前需將攪拌器和攪拌軸表面噴上均勻的黑漆。
 
1.2 流場測試系統
 
流場的測量方法主要有皮托管法[8]、熱膜風速儀法[9-10]、激光多普勒測速技術[11-12]、激光超聲測量技術、電化學法、攝影法、粒子圖像測速。而PIV 技術打破單點測速技術的限制,既具備單點測量技術的分辨率和精度,又具備平面流場顯示的瞬時圖像和整體結構,揭示出了流動場湍流流動的空間結構,故本實驗采用粒子成像測試技術[13-14]。該測量儀由照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數字相機和分析軟件組成。
 
2 數值模擬
 
2.1 控制方程
 
攪拌釜的 CFD 分析可以看作是在流體流動基本守恒定律下對流體的模擬,這三個基本的守恒定律是:質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律,而控制方程是這些守恒定律的數學描述。
2.2   網格劃分                                    
                                                   
  利用       進行建模,導入到 ICEMCFD 進行網
            ProE                        
格劃 分。 采 用 多 重 參 考 系[15] (    
                                        MultipleReference
    ,       )方法解決攪拌區域的運動問題,將攪拌
FrameMRF                                    
釜分為槳區域和槳外區域,通過在交界面上的插值轉換來實現兩個不同區域的速度匹配。采用非結構網格劃分,總網格數為214894個,總節點數為39533個。
 
2.3 模擬方法
采用FLUENT軟件進行數值模擬,用標準 κε
 
流模型模擬流體的流動。攪拌過程中液面與大氣接觸,邊界條件設為自由液面;所有釜體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件。壓力 ― 速度耦合采用 SEM-PLE算法,流動狀態為定常流動;由于使用的是非結構化網格,采用二階迎風差分格式以提高計算精度;計
算殘差設定為10-3。
 
3 攪拌流場分析
 
3.1 流場數值模擬
 
為了觀察分析攪拌釜內攪拌軸附近流體的速度大小及分布情況,截取軸向的0°切面的速度云圖和速度矢量圖,如圖1所示。從圖1(a)可以看出,液流的高速區主要集中在槳葉附近以及其下方的帶狀區域;另外,在槳葉下方有一個低速的自下向上流動的三椎體區域,此區域容易產生攪拌死區。從圖1(b)可以看出,流體有較大的軸向分量,流體在撞擊擋板之后繼續沿著擋板向下流動,從下邊緣進入槳葉,擋板附近形成漩渦。在封頭內的流體沿著釜壁向中心流動,在釜底形成攪拌死區。
  比較 PIV 實驗和   數值模擬結果可知,漩渦 各個截面的分析,獲得**佳攪拌效果的攪拌器結構。
              Fluent              
位置基本一致,流型也基本一致。通過時均速度圖可 通常,軸向流、攪拌死區少、攪拌速度大、數量較多的漩
知實驗和模擬的時均速度分布和中值基本一致,且** 渦能達到更好的攪拌效果。初始數據:葉片數
                                 
大速度都在葉端位置,分別為 / 和 /。 傾角   ,槳徑   ,轉速
                  0.046ms 0.045ms   45°   100mm
由于軸的柔性,在轉動中速度有一定波動,存在一定誤 4.1 葉片數對槳性能的影響
差。綜上所述,   實驗驗證了數值模擬結果的正確   給出了在相同槳葉傾角
          PIV                    
性,選用的 MRF 模型符合實際。         、轉速
                    =100mm   120rmin
  攪拌器的優化         種不同葉片數下能表達釜內整個宏觀流動場的模擬結
          果,考慮到釜內有4個擋板,故每種葉片數下表達釜內
                       
                       
  通過對不同葉片數、不同槳徑和不同槳葉傾角在 整個流場的截面都不同。




       
               
               
  根據流體力學理論,采用Fluent對攪拌釜內部流
   
   
               
場進行了模擬,并用 PIV 對模擬進行驗證。結果表
 
               
明,     實驗與數值模擬的結果基本一致,選用的
       
  PIV        
    模型符合實際;對葉片數為  、槳葉傾角為
MRF  
           
槳徑為 100mm 的常用開啟渦輪式攪拌器,在轉速為
     
         
      時 槳葉區產生徑向流 在擋板附近形成漩
        ,   ,
120rmin      
渦 在釜底存在攪拌死區 通過改變攪拌器葉輪的設計
 
  ,         ;  
參數,對所得到的模擬結果進行分析和優化,發現當槳
 
               
徑為170mm、槳葉傾角為45°、葉片數為6時所產生的
 
               
攪拌死區**少,攪拌效果**佳。

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