摘要：本文基于PERA SIM Fluid軟件對物料在雙槳攪拌器內(nèi)的流動特征進(jìn)行了單相仿真分析。從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分多面體/邊界層網(wǎng)格、添加材料參數(shù)、施加邊界條件，設(shè)置求解算法，進(jìn)行收斂性調(diào)試，最終得到分析結(jié)果。攪拌器單相流場仿真分析可用于快速評估攪拌器設(shè)計、選型及工藝參數(shù)選取的合理性，為槳葉設(shè)計、選型以及攪拌器的內(nèi)構(gòu)件設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：攪拌；多參考系；扭矩

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1.引言

攪拌設(shè)備大量應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。攪拌設(shè)備在許多場合是作為反應(yīng)器來用的。例如，在三大合成材料（合成橡膠、合成纖維、合成塑料）的生產(chǎn)中，采用攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器的，約占反應(yīng)器總數(shù)的85%以上。但更大量的攪拌設(shè)備并不用于化學(xué)反應(yīng)，而僅用于物料的混合、傳熱、傳質(zhì)以及制備乳液、懸浮液等。

攪拌設(shè)備的主要目的：

(1) 使不相溶液體混合均勻，制備均勻混合液、乳化液，強(qiáng)化傳質(zhì)過程；

(2) 使氣體在液體中充分分散，強(qiáng)化傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)；

(3) 制備均勻懸浮液，促使固體加速溶解、浸取或發(fā)生液－固化學(xué)反應(yīng)；

(4) 強(qiáng)化傳熱，防止局部過熱或過冷。

上述目的都與攪拌設(shè)備內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)聯(lián)。本文基于PERA SIM Fluid仿真分析軟件對物料在雙槳攪拌器內(nèi)的流動特征進(jìn)行了單相仿真分析。從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分多面體/邊界層網(wǎng)格、添加材料參數(shù)、施加邊界條件，設(shè)置求解算法，進(jìn)行收斂性調(diào)試，最終得到分析結(jié)果。該結(jié)果可用于快速評估當(dāng)前攪拌器工藝參數(shù)設(shè)計的合理性，為槳葉設(shè)計、選型以及攪拌器的內(nèi)構(gòu)件設(shè)計提供參考。

2.問題描述

模型介紹

本文研究對象為雙槳攪拌器，忽略攪拌器工作時頂部的液位波動，頂部假設(shè)為平面。

3.CFD模型建立

3.1 模型建立及簡化

直接導(dǎo)入分析的幾何模型（stp或者x_t格式，如圖1所示），包含雙槳、擋板及轉(zhuǎn)動軸等結(jié)構(gòu)。槳葉區(qū)采用圓柱面分割，擋板考慮厚度。

圖1 CFD分析的幾何模型

3.2 網(wǎng)格劃分

本文采用邊界層+多面體網(wǎng)格對上述幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即對擋板、槳葉及轉(zhuǎn)動軸幾何進(jìn)行局部面網(wǎng)格控制，對槳葉轉(zhuǎn)動域施加密度盒（體網(wǎng)格）網(wǎng)格控制，此外所有壁面施加3層邊界層網(wǎng)格控制。整體網(wǎng)格數(shù)量在80萬左右，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 攪拌器網(wǎng)格劃分

3.3 流體物性定義

采用常溫常壓的水作為介質(zhì)，密度為998.2 kg/m^3，動力粘度為0.001 kg/(m·s)。

3.4 邊界條件

雙槳MRF區(qū)域及轉(zhuǎn)動軸：繞Z軸負(fù)方向以200RPM轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；

攪拌器頂部：對稱邊界；

其余壁面：無滑移。

3.5 計算模型及方法

計算中采用Realizable K-Epsilon湍流模型和scalable wall function。使用偽瞬態(tài)耦合算法，時間步長設(shè)置為0.01s（可依據(jù)算例收斂性進(jìn)行調(diào)整），對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。所有方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1e-4，同時通過監(jiān)控槳葉的扭矩隨迭代步數(shù)的變化來輔助判定計算的收斂性。

圖3 湍流模型、算法及離散格式設(shè)置

4.計算結(jié)果分析

從扭矩監(jiān)控圖（圖4）可以看出，在1200步時，雙槳扭矩的計算結(jié)果已基本穩(wěn)定，為18.68N·m。

圖4 扭矩隨迭代步數(shù)的變化

圖5給出了攪拌器不同截面上的速度云圖和矢量圖的分布，從中可以看出流體在攪拌器內(nèi)的運(yùn)動特性及速度分布大小：在槳葉旋轉(zhuǎn)作用下，流體從頂部中間區(qū)域進(jìn)入上部攪拌槳區(qū)域，沿旋轉(zhuǎn)軸往底部流動，在底部壁面和擋板作用下往攪拌器頂部流動，形成完整的流動循環(huán)，有利于物料在攪拌器內(nèi)的混合。當(dāng)槳葉/擋板選型或設(shè)計不合理時，會形成流動短路或流動死區(qū)的現(xiàn)象，不利于物料的混合及反應(yīng)。因此利用CFD方法可以快速評估及優(yōu)化攪拌器的設(shè)計方案及工藝參數(shù)選取。

圖5 截面速度云圖及矢量圖分布

5.結(jié)論

本文利用國產(chǎn)自主仿真軟件PERA SIM Fluid對雙槳攪拌器內(nèi)的單相流場進(jìn)行了快速仿真分析，得到了當(dāng)前工藝參數(shù)下的槳葉扭矩和攪拌器內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)特性，為攪拌器設(shè)計（槳葉選型設(shè)計/擋板參數(shù)設(shè)計）及工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。

可以看出，作為一款自主研發(fā)的國產(chǎn)流體仿真軟件，PERA SIM Fluid在攪拌器單相流場計算過程中，能很好地完成幾何模型定義、網(wǎng)格劃分、材料定義、邊界設(shè)置、分析求解和結(jié)果查看全過程，仿真流程完善，收斂性好。

作者：安世亞太工程師 鄒劍峰