背景

攪拌混合是指攪動(dòng)液體使之發(fā)生某種方式的循環(huán)流動(dòng)，從而使物料混合均勻或使物理、化學(xué)過(guò)程加速的操作。

應(yīng)用：油氣化工，生物制藥，廢水處理，建筑，電池制備，家電等等

現(xiàn)狀：機(jī)械攪拌用于加快均相體系的混合、保持非均相體系的均勻分散或強(qiáng)化傳熱，對(duì)于不同的物料系統(tǒng)、不同的攪拌目的，需要工程師對(duì)不同類型的攪拌器做出選擇。影響攪拌釜攪拌功率的幾何因素包括：攪拌器直徑、槳葉的葉形（形狀、長(zhǎng)度、寬度、數(shù)量）、攪拌釜直徑、物料的裝液高度、攪拌槳葉在釜內(nèi)的安裝高度、擋板數(shù)量及寬度等。攪拌釜設(shè)計(jì)過(guò)程中有許多放大準(zhǔn)則，但是針對(duì)具體的攪拌過(guò)程，究竟哪個(gè)準(zhǔn)則比較使用卻極大的依賴于經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)的方法逐級(jí)放大，造成設(shè)計(jì)過(guò)程周期長(zhǎng)、投入的人力、物力、財(cái)力大。

攪拌設(shè)備解決方案

攪拌混合設(shè)備的種類

從單元到系統(tǒng)存在多尺度，多區(qū)域以及多物理場(chǎng)的過(guò)程

單相混合系統(tǒng)

氣液體系（生物反應(yīng)器）

液固體系（固體溶解）

嚙齒攪拌混合器

靜態(tài)混合器

清洗裝置

定制化以及系統(tǒng)級(jí)的仿真

攪拌混合設(shè)備解決方案

單相混合系統(tǒng)

挑戰(zhàn)

‐ 通過(guò)加快設(shè)計(jì)速度縮短上市時(shí)間（放大：放大反應(yīng)器所需的操作條件是什么？）

‐ 確保產(chǎn)品質(zhì)量（準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混合時(shí)間；管理產(chǎn)品在剪切下暴露程度，例如防止細(xì)胞損傷）

‐ 混合不良會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)

顯著的仿真復(fù)雜性

‐ 對(duì)混合罐中的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流進(jìn)行建模

‐ 模擬混合容器中的層流和湍流

‐ 處理不同的流變學(xué)（恒定粘度，與剪切速率和溫度相關(guān)粘度）

‐ 混合定量處理【后處理】，確定性的和統(tǒng)計(jì)性的（需要開發(fā)后處理工具，為決策提供定性、定量和統(tǒng)計(jì)結(jié)果）

Ansys關(guān)鍵功能應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

? 內(nèi)置功能：在Ansys Fluent中能對(duì)層流以及具有強(qiáng)大漩渦的的湍流進(jìn)行建模

? 快速預(yù)處理：Ansys SpaceClaim和Fluent Meshing的組合，可以輕松處理攪拌混合器（葉輪、擋板）的細(xì)節(jié)，并能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行參數(shù)化，以進(jìn)行假設(shè)研究

? 已驗(yàn)證：湍流模型已得到驗(yàn)證

? 可擴(kuò)展：針對(duì)大型3D問(wèn)題提供高性能計(jì)算（HPC）

混合時(shí)間預(yù)測(cè)

復(fù)雜流變性

剪切變稀效果清晰可見(jiàn)。葉輪周圍的應(yīng)變率最高，粘度最小。此外，在應(yīng)變率非常低的地區(qū)，粘度最高。這將影響流場(chǎng)，如下圖所示。

與這種復(fù)雜流變（剪切變稀）情況，局部測(cè)量速度與歸一化徑向位置非常吻合。

氣液體系（生物反應(yīng)器）

挑戰(zhàn)

‐ 通過(guò)加快設(shè)計(jì)速度縮短上市時(shí)間（放大：放大反應(yīng)器所需的操作條件是什么？）

‐ 確保產(chǎn)品質(zhì)量（準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混合時(shí)間；管理產(chǎn)品在剪切下暴露的時(shí)間，例如防止微生物細(xì)胞損傷）

‐ 氧氣傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)需要適當(dāng)?shù)幕旌铣潭龋ǜ咝У臍怏w分布器可提高氣含率，從而改善傳質(zhì)；混合速率控制反應(yīng)的快慢【速率、選擇性和生產(chǎn)】）

‐ 渦旋，氣體在液相中的停留，氣相的短路

顯著的仿真復(fù)雜性

‐ 前面描述單相攪拌器遇到的問(wèn)題相同

‐ 模擬氣泡，考慮不同的尺寸分布（氣泡的尺寸通過(guò)群平衡計(jì)算）

‐ 準(zhǔn)確預(yù)測(cè)傳質(zhì)速率需要準(zhǔn)確計(jì)算氣液接觸面積

‐ 自由表面形狀

‐ 氣體滯留

氣液流動(dòng)：發(fā)酵罐建模

驗(yàn)證

傳質(zhì)（溶解氧）

優(yōu)化

液/固體系（固體溶解）

挑戰(zhàn)

– 固體懸浮液是固體催化反應(yīng)、晶體生長(zhǎng)和溶解系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題

– 需要均勻的固體懸浮液

– 存在固體顆粒時(shí)功率的預(yù)測(cè)

– 均勻的固體懸浮液和流場(chǎng)，能夠確保最大化的傳質(zhì)/反應(yīng)速率（增加產(chǎn)量）

Ansys CFD工具的優(yōu)勢(shì)

‐ 流場(chǎng)的詳細(xì)信息

‐ Ansys Fluent Eularian-Eularian (Granular) 模型被驗(yàn)證過(guò)能夠模擬固體在流體中的運(yùn)動(dòng)

‐ 能夠與與群平衡模型結(jié)合考慮直徑的分布

‐ 剪切速率特性：許多晶體可能因暴露于高剪切區(qū)域而受損

‐ 預(yù)測(cè)懸浮速度

‐ 預(yù)測(cè)固體濃度分布(會(huì)影響反應(yīng)/溶解速率)

‐ 傳質(zhì)預(yù)測(cè)（溶出）

云圖高度

Ansys解決方案

嚙齒攪拌混合器

挑戰(zhàn)

‐ 量化物料混合:添加劑顆粒/液滴隨時(shí)間的擴(kuò)散

‐ 量化物料混合:顆粒/液滴“破碎”成更小的尺寸

‐ 混合器幾何形狀和操作條件的影響（e.g. rpm）

‐ 處理通常非常粘稠的材料，這些材料通常為非牛頓流體

‐ 連續(xù)系統(tǒng)的吞吐量（e.g.單螺桿和雙螺桿擠出機(jī)）

‐ 避免因熱/剪切而導(dǎo)致的材料降解

相關(guān)的仿真復(fù)雜性

‐ 由于嚙齒幾何結(jié)構(gòu)的特性，使得仿真本質(zhì)是瞬態(tài)

‐ 需要解析不同的尺度變化（嚙齒的間隙以及整體的直徑、長(zhǎng)度）

‐ 復(fù)雜流變學(xué)（非牛頓流體與剪切速率和溫度有關(guān)t）

‐ 非常高的佩克雷特?cái)?shù)（非常薄的熱邊界層）

Ansys關(guān)鍵功能應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

靜態(tài)混合器

挑戰(zhàn)

選擇適當(dāng)尺寸的靜態(tài)混合器（成本），滿足混合的同時(shí)：

‐ 將壓降保持在限值內(nèi)（運(yùn)行成本）

‐ 避免由于粘性加熱影響產(chǎn)品（產(chǎn)品質(zhì)量）

‐ 確保溫度均勻 （產(chǎn)品質(zhì)量）

‐ 在高溫下工作時(shí)的熱應(yīng)力

相關(guān)的仿真復(fù)雜性

‐ 幾何結(jié)構(gòu)具有大量復(fù)雜細(xì)節(jié)和小特征

‐ 非線性流變學(xué) + 粘性加熱（內(nèi)部剪切）效應(yīng)

‐ 當(dāng)兩種液體之間的粘度比較大時(shí)，導(dǎo)致數(shù)值收斂挑戰(zhàn)

Ansys關(guān)鍵功能應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

清洗裝置（CIP）

關(guān)鍵挑戰(zhàn)

‐ 使用最少量的清潔劑清潔容器，在最短的時(shí)間內(nèi)完成沖洗，降低成本.

模擬挑戰(zhàn)

‐ 尺寸跨度大：容器尺寸通常以米為單位（甚至可能是十米），而噴霧噴嘴尺寸通常以毫米或更小為單位

‐ 為了確保覆蓋范圍，噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜（繞著不同的軸）。旋轉(zhuǎn)可以是流量驅(qū)動(dòng)的，也可以是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。

Ansys關(guān)鍵功能應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

定制化以及系統(tǒng)級(jí)的仿真

關(guān)鍵挑戰(zhàn)

‐ 仿真需要專業(yè)知識(shí)（前處理、設(shè)置和后處理）

‐ 操作員可能需要基本假設(shè)場(chǎng)景的結(jié)果，CFD分析師通常被占用

‐ 操作員培訓(xùn)（數(shù)字調(diào)試）

模擬挑戰(zhàn)

‐ CFD需要培訓(xùn)（人力和專業(yè)知識(shí)）、軟件和硬件

‐ 了解混合過(guò)程，需要預(yù)處理、問(wèn)題設(shè)置和后處理方面的特定專業(yè)知識(shí)

‐ 某些模擬可能會(huì)占用大量CPU資源

Ansys關(guān)鍵功能應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

‐ Ansys開發(fā)相應(yīng)的模板，保留CFD專家的仿真經(jīng)驗(yàn)，提高仿真效率。

‐ Reduced Order Models (ROM’s)可以很容易地創(chuàng)建用于混合模擬，工廠操作員可以輕松使用，這消除了對(duì)CFD知識(shí)，培訓(xùn)或模擬就緒硬件的需求。

‐ ROM’s還可以集成到Ansys Twin Builder中，表征更大的操作系統(tǒng)，其中包含用于數(shù)字調(diào)試和操作員培訓(xùn)的附加組件。

深圳市優(yōu)飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)解決方案與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。

十多年來(lái)，優(yōu)飛迪科技在數(shù)字孿生、工業(yè)軟件尤其仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并在這些領(lǐng)域擁有數(shù)十項(xiàng)獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)，優(yōu)飛迪科技也與國(guó)際和國(guó)內(nèi)的主要頭部工業(yè)軟件廠商建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，能夠?yàn)榭蛻籼峁┩暾漠a(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)解決方案。

優(yōu)飛迪科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)實(shí)力雄厚，主要成員均來(lái)自于國(guó)內(nèi)外頂尖學(xué)府、并在相關(guān)領(lǐng)域有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，能為客戶提供“全心U+端到端服務(wù)”。