六直叶圆盘涡轮搅拌器的流动特性研究

刘源　王炉钢

（杭州原正化学工程技术装备有限公司）

六直叶圆盘涡轮搅拌器的流动特性研究

刘源*王炉钢

（杭州原正化学工程技术装备有限公司）

以配置了六直叶圆盘涡轮搅拌器的搅拌罐为对象，对相同搅拌功率下三种搅拌器直径和搅拌转速的组合进行了流动特性的计算流体力学模拟，研究了搅拌罐内的速度矢量分布、剪切速率分布和循环能力。结果表明，搅拌器直径和搅拌转速的改变会引起剪切速率和循环能力的变化。

涡轮搅拌计算流体力学剪切速率循环能力流动特性

0　前言

搅拌设备通过旋转的搅拌器将机械能转化为流体的动能，促进工艺过程的混合、传质和传热等，是一种常规的单元操作。对于给定的搅拌设备和被搅流体，在湍流区域，搅拌功率与搅拌转速的3次方成正比，与搅拌器直径的5次方成正比［1］。若限定搅拌功率，再结合减速机构的选型，则可以有多种搅拌转速和搅拌器直径的组合。

不同搅拌转速和搅拌器直径的组合，将形成不同的流动特性，例如引起循环流动和剪切作用的此消彼长，而循环流动量大，则液体混合就均匀；剪切作用强，则液体的局部混合和分散就完全。显然，不同的工艺过程对于搅拌产生的流动特性有不同的需求，因此研究相同搅拌功率下不同搅拌转速和搅拌器直径的组合的流动特性，具有现实意义。

随着计算流体力学（CFD）技术的迅速发展，通过CFD模拟的方法可以获取不同搅拌过程流体的速度场、浓度场和温度场等信息，很大程度上弥补了测试手段有限的不足，可以为搅拌设备的设计和优化提供指导。CFD模拟结果详尽、直观，可以节约时间和成本，已经得到了广泛的应用［2-4］。本文拟采用CFD模拟的方法研究配置了单层六直叶圆盘涡轮（6DT）搅拌器的搅拌罐内的流动特性。

1　搅拌罐参数

搅拌罐结构如图1所示。搅拌罐为平底，内径D=1500 mm，液深H=1500 mm。挡板4块均布，长度L=1300 mm，宽度w=125 mm，距罐壁间隙c= 25 mm，距罐底高度h=100 mm。搅拌罐尺寸参数见图1。搅拌罐内介质为牛顿流体，其密度为1000 kg/m3，黏度为1×10－2Pa·s。

图1　搅拌罐尺寸参数

搅拌器距罐底高度C=500 mm，为六直叶圆盘涡轮，代号6DT。在保持相同搅拌功率的前提下，依据搅拌功率与搅拌器直径d和搅拌转速N的关系，设定了组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种组合，搅拌器直径由小到大，搅拌转速由大到小，详细数据如表1所示。

表1　六种组合的排出流量对比

2　CFD模拟计算

2.1计算模型

模型基本方程包括质量守恒方程和动量守恒方程，因不考虑温度变化，故不包括能量守恒方程；采用标准κ-ε双方程模型封闭守恒方程［5］。

为简化计算作以下假设：搅拌罐内流体的时均运动为稳定流动，忽略周期运动对流场内流体宏观运动的影响；流体为连续的不可压缩牛顿流体，搅拌槽内流动为各向同性湍流。考虑到模型中是否计入搅拌轴对本研究并无显著影响，为节约计算时间，将其忽略。

采用多重参考系法（MRF）处理运动的搅拌器、搅拌轴和静止的釜壁、挡板之间的相互作用，将整个计算区域分为两部分，即包含搅拌器、搅拌轴的旋转区域和包含釜内其他区域的静止区域。反应釜内壁、挡板、搅拌轴和搅拌器等均选用壁面边界条件，其中反应釜内壁和挡板定义为静止壁面条件，搅拌器和搅拌轴定义为运动壁面条件且相对于旋转坐标系的运动速度为零。液面定义为对称边界条件，即所有变量的法向梯度均为零，只有在面内的分量。

2.2计算方法

采用有限体积法离散守恒方程，将偏微分方程格式的守恒方程转化为代数方程组。压力和速度间的耦合采用SIMPLE算法。离散化格式除压力采用PRESTO！格式外，均采用二阶迎风差分格式。

该搅拌罐在整个计算区域内均采用非结构化四面体网格进行离散。为保证计算精度，对搅拌器区域作了网格加密处理。为考察计算结果的网格无关性，对组合Ⅰ划分网格总数分别为957 153和1 482 967时的搅拌功率和排出流量进行了研究。结果表明，计算结果变化幅度均小于5%。结合计算机的计算能力，确定采用1.0×106左右的网格数。

3　结果与讨论

3.1速度矢量分布

图2（a）～（c）给出了三种组合时搅拌罐内的速度矢量分布。由图2可见，三种组合的速度矢量分布有共同的特点。液体由搅拌器径向高速排出，冲击罐壁后分成两股，分别沿着罐壁向上和向下流动，又分别返回搅拌器上方和下方，形成了两个循环。另外，搅拌器直径越小、搅拌转速越高，流场中出现的最大速度就越大，这对于增强局部区域的剪切作用是有利的。

3.2剪切速率分布

当被搅拌的液体高速流动时，由于液体的黏性，在液层之间会产生剪切作用。这种剪切作用能促进液体的局部混合和分散。图3（a）～（c）给出了三种组合时搅拌罐内的剪切速率分布，数值范围为0～80 s-1。图3（d）～（f）给出了三种组合时搅拌器附近区域的剪切速率分布，数值范围为0～300 s-1。由图3可见，剪切速率较高的区域和速度矢量分布图中速度较高的区域是基本一致的。在搅拌器附近存在一个强剪切的区域，随着搅拌器直径增大、搅拌转速减小，剪切作用的范围扩大，分布趋于均匀，但搅拌器附近区域的剪切强度减弱。

图2　速度矢量分布图

图3　剪切速率分布云图

3.3循环能力

从速度矢量分布图可以看出，6DT搅拌器排出径向高速流。高速流从周围吸引挟带低速流，共同形成了涉及到整个搅拌罐的循环。这种循环把能量传递到罐内各处，同时将罐内各处液体循环回到具有强烈搅拌作用的搅拌器近旁，因此对于搅拌过程具有重要的意义。用排出流量Qd来表征循环能力，Qd可以通过径向速度沿着圆柱面上积分得到。三种组合的排出流量计算结果列于表1。由表1可见，随着搅拌器直径的增大和搅拌转速的减小，排出流量增大显著，这表示循环能力有明显的提升。

4　结论

（1）在本文研究条件下，6DT搅拌器的流型是液体由搅拌器径向高速排出，形成了上、下两个循环；搅拌器直径越小、搅拌转速越高，流场中出现的最大速度就越大。

（2）在本文研究条件下，6DT搅拌器随着搅拌器直径增大、搅拌转速减小，剪切作用的范围扩大，分布趋于均匀，但搅拌器附近区域的剪切强度减弱。

（3）在本文研究条件下，6DT搅拌器随着搅拌器直径增大、搅拌转速减小，循环能力有明显的提升。

（4）在保持相同搅拌功率的前提下，调整搅拌转速和搅拌器直径，可以选择性地强化剪切作用或循环能力，以满足工艺过程的需求。

［1］王凯，冯连芳.混合设备设计［M］.北京：机械工业出版社，2000：91.

［2］刘宝庆，张义垄，刘景亮，等.新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟［J］.化工学报，2013，64（4）：1135-1144.

［3］严小生，邵洪根，李强.基于CFD方法的啶虫脒结晶釜搅拌器优化设计［J］.化工与医药工程，2014，35（2）：44-46.

［4］庞向飞，梁红野，陈彦泽.用数值模拟方法和LDV测量研究搅拌槽中高黏度流体的流速分布［J］.化工管道与设备，2003，40（5）：14-17.

［5］戴干策，陈敏恒.化工流体力学［M］.北京：化学工业出版社，2005：267-272.

Flow Characteristics Research on Agitator of Six-flat-blade-disc Turbine

Liu YuanWang Lugang

With the same power consumption，the computational fluid dynamics（CFD）simulation is applied to study the velocity vector distribution，shear rate distribution and circulation capability of the stirred tank equipped with the agitator of the six-flat-blade-disc turbine under three different combinations of the impeller diameters and stirring speeds.The results indicate that the shear rate and circulation capability changes with the variation of the impeller diameter and stirring speed.

Turbine；Agitation；Computational fluid dynamics；Shear rate；Circulation capability；Flow characteristics

TQ 051.7+2

2015-04-09）

*刘源，女，1980年生，工程师。杭州市，310012。