搅拌釜内流场三维数值模拟及功率预测

丁健华 马 腾 陈 涛 杨象岳 刘延雷

（杭州市特种设备检测研究院）

承压搅拌釜 （如结晶釜、搪玻璃反应釜、发酵罐等）作为典型的特种设备，广泛应用于生物医药、化学工业以及食品加工业中。搅拌功率、传热系数、混合时间和循环次数是搅拌器设计的重要参数，搅拌釜内叶轮功率消耗的大小是搅拌釜内液体搅拌程度和运动状态的度量，也是选择电机功率的依据。各项搅拌参数的选用取决于搅拌釜内所期望的流动状态。因此，采用计算流体力学 （CFD）技术对搅拌釜内的流动状态进行分析，就可以获得流场的详细信息，进而可以获得各项搅拌特性参数，并将其用于搅拌釜的设计。

如何在保证大型搅拌釜内搅拌效果的前提下设计合理的搅拌结构，并保证搅拌器的强度和可靠性，这是近年来搅拌器设计的研究重点。近年来，随着计算机技术的应用和普及，基于计算流体力学（CFD）的流场仿真技术作为有效的分析计算手段，在两相混合时间预测[1-5]、搅拌器流场结构模拟和功率计算[6-8]等方面均得到广泛的应用，也有很多相关的科研论文发表。

本文采用计算流体力学软件Fluent对搅拌釜进行流动分析，并基于分析结果评价搅拌效果和预测搅拌器功率，从而为搅拌釜的设计提供参考依据。

1 计算模型和方法

1.1 物理模型

本文针对某搅拌釜搅拌器进行分析，搅拌釜结构如图1所示。搅拌釜最小液位为距封头底部7.37 m，这部分容积为80 m3，为总容积的60%；最高液位为距封头底部10.89 m，这时的容积为120 m3，为总容积的90%。操作介质参数为：密度1100 kg/m3，黏度0.2 Pa·s。操作参数为：搅拌器转速120 r/min，曝气速率为8640 m3/h。

图1 搅拌釜结构

1.2 数值计算模型

由于搅拌器所需的搅拌功率取决于搅拌釜内的流型和湍动程度，搅拌功率与叶轮的形状、大小、转速和流体性质、搅拌釜尺寸、釜内挡板条件 （搅拌釜内部换热管道）以及叶轮在釜内位置等有直接的关系。因此，模型的建立重点考虑了叶轮、搅拌釜、轴等结构的详细尺寸信息和位置信息，较真实地模拟了其实际条件。同时为提高计算效率，将换热管简化为挡板。流动计算域的大小对应搅拌釜装料系数0.9时的情况 （此时介质体积为120 m3）。网格划分采用分块技术，各块采用不同大小的网格划分，使整个流域都能采用高质量网格。流体计算域的网格划分结果如图2所示，经网格量无关性验证后选取的计算网格总量为7892343。

1.3 计算方法和边界条件

本文采用有限体积法处理流体区域的方程离散，搅拌釜内流场计算和分析基于大型计算流体力学软件ANSYS Fluent，计算域网格划分采用软件Gambit。

图2 搅拌釜内流场的三维模型及网格划分

2 数值模拟结果与分析

2.1 搅拌釜流场分析

图3～图6所示为搅拌釜内部速度场的详细分布情况，同时还给出了纵截面和三个不同高度的横截面上的速度分布情况。为便于表述，三个横截面按几何位置从低到高分别定义为1号截面 （距搅拌釜底部2000 mm）、2号截面 （距搅拌釜底部5000 mm）和3号截面 （距搅拌釜底部8000 mm）。从各速度分布图可以看出，搅拌釜的搅拌效果良好。图7给出了搅拌桨表面的压力分布云图。由图7可以看到底层桨叶梢处压力较高，相应的叶轮功率较大。

进一步对不同曝气量的操作过程进行了两相流模拟，主要目的是预测该搅拌器在不同曝气流量下稳定工作的功率及釜内流场的气液体积分数分布情况。前者为搅拌器的驱动电机配置提供参考，后者作为曝气效果好坏的评价。

本文对五种曝气量下的搅拌釜内部流场分别进行了数值模拟，对应的稳定状态时的釜内含气率分别为0%、25%、33%、42%、50%。图8～图12为各含气率下搅拌釜内气相体积分率分布情况。从图中可见，釜内气相体积分率分布较为均匀，曝气效果较为理想。

2.2 功率预测

图3 搅拌釜纵向截面速度矢量图

图4 搅拌釜1号横截面流场矢量图

图5 搅拌釜2号横截面流场矢量图

通过搅拌釜内流场的分析，可得到各搅拌叶轮的扭矩、功率以及总扭矩和搅拌功率。分别对该搅拌釜的六种工况进行了数值模拟，其中平均含气率通过下式估算：

式中 Ф——平均含气率；

PG——通气搅拌功率 （预估），W；

PA——气体膨胀功率，W；

图6 搅拌釜3号横截面流场矢量图

图7 搅拌釜搅拌器叶轮表面压力云图

图8 搅拌釜内气相体积分率分布（未充气）

图9 搅拌釜内气相体积分率分布（含气率25%）

图10 搅拌釜内气相体积分率分布 （含气率33%）

图11 搅拌釜内气相体积分率分布 （含气率42%）

图12 搅拌釜内气相体积分率分布 （含气率50%）

V——搅拌釜容积，m3；

Vs——通气速率，m/s。

式中Hg——液位高度，m；

Hs——曝气口高度，m；

QG——通气流量，m3/s。

经估算，在搅拌功率为500 kW时含气率为31.6%，与数值计算结果基本吻合。本文对其它不同含气率工况也进行了计算，具体预测结果如表1所示。从表1可以看到，随着含气率增加，搅拌功率呈下降趋势，但无明显线性关系。

表1 搅拌器功率预测结果

3 结论

利用CFD技术对搅拌釜内部流动进行了详细分析，得到了釜内的流场分布情况，并基于流场的数值模拟结果获得搅拌功率。从计算结果可以看到，釜内流动分布较为合理，不同液位高度的流动较为均匀。

进一步采用两相流数值模拟技术对不同曝气量下的釜内气液分布情况和功率进行了预测。该方法可为该类搅拌器的设计选型提供参考。

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