在现有桨式搅拌釜中,针对不同的桨叶角度,运用Fluent软件对搅拌釜内固液混合效果进行数值模拟。通过分析轴截面液相速度矢量图和固含率云图可知,随着桨叶与水平面间角度的增加,底部的固体颗粒沉积越多,减小桨叶与水平面间角度虽然有利于减少底部固体沉积,但同时导致了上部固体颗粒含量较少。考虑整体混合效果,得出桨叶与水平面间角度成30˚时,搅拌釜内固液混合效果最佳。<br/>In the existing paddle agitator, the software Fluent was used to simulate the solid-liquid mixing effect in the agitator according to different blade angles. By analyzing the liquid phase velocity vector diagram and solid holdup cloud diagram of the axial section, it can be seen that with the in-crease of the Angle between the blade and the horizontal plane, more solid particles are deposited at the bottom. Although the reduction of the Angle between the blade and the horizontal plane is conducive to the reduction of solid deposition at the bottom, it also leads to the lower content of solid particles at the top. Considering the overall mixing effect, it is concluded that when the Angle between the blade and the horizontal plane is 30˚, the solid-liquid mixing effect in the agitator is the best.
在现有桨式搅拌釜中,针对不同的桨叶角度,运用Fluent软件对搅拌釜内固液混合效果进行数值模拟。通过分析轴截面液相速度矢量图和固含率云图可知,随着桨叶与水平面间角度的增加,底部的固体颗粒沉积越多,减小桨叶与水平面间角度虽然有利于减少底部固体沉积,但同时导致了上部固体颗粒含量较少。考虑整体混合效果,得出桨叶与水平面间角度成30˚时,搅拌釜内固液混合效果最佳。
桨式搅拌釜,桨叶角度,固液混合,数值模拟
Fan Yang1,2*, Quanping Sun2
1College of Mechanical and Material Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai’an Jiangsu
2Jiangsu Key Lab of Advanced Manufacturing Technology, Huaiyin Institute of Technology, Huai’an Jiangsu
Received: Mar. 3rd, 2021; accepted: Apr. 12th, 2021; published: Apr. 19th, 2021
In the existing paddle agitator, the software Fluent was used to simulate the solid-liquid mixing effect in the agitator according to different blade angles. By analyzing the liquid phase velocity vector diagram and solid holdup cloud diagram of the axial section, it can be seen that with the increase of the Angle between the blade and the horizontal plane, more solid particles are deposited at the bottom. Although the reduction of the Angle between the blade and the horizontal plane is conducive to the reduction of solid deposition at the bottom, it also leads to the lower content of solid particles at the top. Considering the overall mixing effect, it is concluded that when the Angle between the blade and the horizontal plane is 30˚, the solid-liquid mixing effect in the agitator is the best.
Keywords:Paddle Agitator, Blade Angle, Solid Liquid Mixture, The Numerical Simulation
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桨式搅拌釜因其操作条件可控范围较大,广泛的应用于生物、化工、食品、制药等多种多样的工业生产过程中 [
计算流体力学(CFD)已经广泛运用于搅拌过程中的流场模拟,实现流场分析的可视化,一定程度上替代了实验,缩短了研究周期 [
本文的主要研究对象是桨式搅拌釜,如图1示,液面高度为2.4 m,桨叶数量为2,安装高度0.8 m,转速N = 100/rpm,桨叶直径为0.6 m。仿真采用的桨叶与水平面间角度分别为15˚、30˚、45˚、60˚、75˚、90˚,搅拌物料为水和二氧化硅颗粒。其中二氧化硅密度为2400 kg/m3,颗粒直径为7.4 μm,体积分数为30%;水的密度为1000 kg/m3,粘度为0.001003 Pa∙s。
图1. 桨式搅拌釜示意图
在Solidworks中搭建三维模型,完成后导入DesignModeler进行网格划分前处理。本数值模拟使用多重参考系法(MRF) [
图2. 整体网格
图3. 动区域网格
搅拌釜内的流体运动属于三维湍流,具有不规则性,连续性,三维性,耗散性及扩散性。整个釜内的流体应当遵循质量守恒,动量守恒和能量守恒三大基本定律。本文中开展的数值模拟涉及到在湍流情况下的物料混合,严格依照湍流运输方程和遵照组分守恒定律进行。
对于不可压缩流体,质量守恒方又称连续性方程 [
∂ u ∂ x + ∂ v ∂ y + ∂ w ∂ z = 0
式中u、v、u分别为速度矢量在x轴、y轴、z轴上的速度分量。
动量守恒方程又称作N-S方程,其表达式为:
{ ∂ ( ρ u ) ∂ t + d i v ( ρ u u ¯ ) = d i v ( μ g r a d u ) − ∂ p ∂ x + S u ∂ ( ρ v ) ∂ t + d i v ( ρ v u ¯ ) = d i v ( μ g r a d v ) − ∂ p ∂ y + S v ∂ ( ρ w ) ∂ t + d i v ( ρ w u ¯ ) = d i v ( μ g r a d w ) − ∂ p ∂ z + S w (2)
式中, ρ 为流体密度,t为时间, μ 为动力粘度, p 为压力。 S u 、 S v 、 S w 是方程的广义源项,其中 S u = F x + S x , S v = F y + S y , S w = F z + S z ,其表达为:
{ S x = ∂ [ μ ( ∂ u ∂ x ) ] ∂ x + ∂ [ μ ( ∂ v ∂ x ) ] ∂ y + ∂ ( λ d i v u ) ∂ x S y = ∂ [ μ ( ∂ u ∂ y ) ] ∂ x + ∂ [ μ ( ∂ v ∂ y ) ] ∂ y + ∂ ( λ d i v u ) ∂ y S z = ∂ [ μ ( ∂ v ∂ z ) ] ∂ x + ∂ [ μ ( ∂ v ∂ z ) ] ∂ y + ∂ ( λ d i v u ) ∂ z (3)
能量守恒方程的表达式为:
∂ ( p T ) ∂ t + ∂ ( p u T ) ∂ x + ∂ ( p v T ) ∂ y + ∂ ( p w T ) ∂ z = [ ( λ C p ) ⋅ ( ∂ T ∂ x ) ] ∂ x + [ ( λ C p ) ⋅ ( ∂ T ∂ y ) ] ∂ y + [ ( λ C p ) ⋅ ( ∂ T ∂ z ) ] ∂ z + S T (4)
式中,T为温度, C p 为比热容, S T 为粘性耗散。
如图4所示,本文采用的标准k-ε模型通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均速度梯度的关系,以耗散尺度作为特征长度 [
图4. k-ε模型选择
如图5所示,是六种不同桨叶角度在特定工况下,轴截面(Z = 0 mm)的速度矢量图,其中搅拌桨的桨叶与水平所成角度分别为15˚、30˚、45˚、60˚、75˚、90˚。
图5. 不同桨叶角度轴截面(Z = 0 mm)的液相速度矢量图
根据不同桨叶角度时轴截面(Z = 0 mm)的液相矢量速度图,在该搅拌器工作室,釜内主要产生了轴向流,流体的速度大小沿着桨叶由内向外逐渐变大,在桨叶左右两端处达到最大值。搅拌桨旋转产生动能,该动能从桨叶传递到整个搅拌釜时逐渐减小,导致流体速度也逐渐减小。
桨叶附近的循环流场范围越大,就能带动越多的固体颗粒悬浮,减少釜底部分的固体沉积。结合上图,对比六种角度的桨叶附近的循环流场可以发现,桨叶附近的循环流场范围随着桨叶角度的增大逐渐减小,15˚桨叶周围的循环流场范围最广,90˚桨叶周围的循环流场范围最小。同时,在搅拌釜底部两侧存在两个明显的循环流场,随着桨叶与水平面间的角度提升,这两个循环流场的范围逐渐增大。
搅拌釜通过搅拌桨产生的轴向流将其底部的固体颗粒输送到桨叶上部。15˚桨叶产生的轴向流强度比其他几种桨叶角度产生轴向流强度要小,致使搅拌釜上半部分固体含量较少。综合考虑桨叶提供的轴向流强度和桨叶周围循环流范围,30˚桨叶相较于15˚桨叶提供了更强的轴向流,相比其他更大角度的桨叶其桨叶周围流场范围更大。
如图6所示,是六种不同桨叶角度在特定工况下,轴截面(Z = 0 mm)的固含率云图。
固体颗粒的悬浮状态可以通过固含率云图直观的体现出来 [
图6. 不同桨叶角度轴截面(Z = 0 mm)固含率云图
1) 随着桨叶角度的增大,搅拌桨周围的循环流场辐射范围逐渐减小,不能有效带动釜体底部的固体颗粒参与循环。
2) 随着桨叶角度的增大,固体颗粒的底部沉积越来越多。减小桨叶角度虽然能有效改善固体颗粒底部沉积严重的现象,但是由于缺乏强劲的轴向流,釜内上半部分固体颗粒含量不够理想。
3) 综合考虑整体的混合效果,采用与水平面间角度成30°桨叶时,搅拌釜内固液混合效果最佳。
杨 帆,孙全平. 桨式搅拌釜不同桨叶角度下搅拌性能的数值模拟Numerical Simulation of Stirring Performance of a Paddle Agitator with Different Blade Angles[J]. 机械工程与技术, 2021, 10(02): 180-187. https://doi.org/10.12677/MET.2021.102021