基于CFD技术研究桨桶间隙对搅拌影响

陈　璟，黄梅珍，吴国勇，邓昌建（.柳州职业技术学院机电工程系，广西柳州 545005；.柳州城市职业学院机电与汽车工程系，广西柳州 54506；.广西科技师范学院化学与生命科学系，广西来宾 54600；4.柳州市豪杰特化工机械有限责任公司技术中心，广西柳州 545005；5.柳州蓓蒂芬科技有限公司技术中心，广西柳州 545000；6.广西新维力科技有限公司技术中心，广西桂林　54004）



基于CFD技术研究桨桶间隙对搅拌影响

陈璟1，黄梅珍2，吴国勇3，邓昌建4，5，6
（1.柳州职业技术学院机电工程系，广西柳州 545005；2.柳州城市职业学院机电与汽车工程系，广西柳州 545036；3.广西科技师范学院化学与生命科学系，广西来宾 546100；4.柳州市豪杰特化工机械有限责任公司技术中心，广西柳州 545005；5.柳州蓓蒂芬科技有限公司技术中心，广西柳州 545000；6.广西新维力科技有限公司技术中心，广西桂林541004）

摘要:应用SolidWorks Flow Simulation对反应釜内2种搅拌桨与搅拌桶壁的距离分别为7mm和1mm时的流场情况进行预测分析，计算后输出速度云图、流线图、粒子示踪图等，以对比分析搅拌效果.研究结果表明：在一定程度上，减少桨桶间隙可提升物料混合搅拌速度.

关键词：电池浆料制备；桨桶间隙；Flow Simulation；流体分析

0　引言

电池桨料在制备初期，物料各相之间互不相容，需要在搅拌釜或搅拌桶里配置搅拌桨，以达到均匀搅拌的目的［1］.实际工作中，工程师们常为桨桶间隙的设计而煞费苦心，因此根据不同行业要求，可有不同的间隙设计.在电池浆料制备中，所用桨桶间隙的结构设计是否合理，在过去需通过物理试验来验证，引入CFD（计算流体力学）分析软件后，在进行物理试验之前先对设计出的桨桶间隙进行分析预测，可明显缩短产品的开发周期.柳州市豪杰特化工机械有限责任公司的周金卿等［2］基于Flow Simulation对比了对反应釜内2种搅拌桨与搅拌桶壁的距离分别为7mm和1mm时的流场情况进行预测分析，计算后输出速度云图、流线图、粒子示踪图等，以对比分析搅拌效果.研究结果表明：减少桨桶间隙的确可提升物料混合搅拌速度.

1　CFD介绍

1.1分析软件介绍

计算流体力学（Computer Fluid Dynamics，CFD）是一门新兴学科，它深入到航天航空、土木工程、力学、化工等，将数值计算方法、经典流体力学、数据可视化三者有机结合.简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况，是除了理论分析和实验测量外，解决流体流动与传质传热的又一技术手段［3］.

CFD利用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程方程控制流动过程，目前的计算方法有差分法、有限元法及有限体积法三种，把流体流动及其它相关过程规律表达成数学形式才能对这些过程进行数值计算，以实现对千变万化、异常复杂流场进行模拟，可以得到速度场、浓度场、压力场、湍能强度等分布云图、等值云图、矢量图等，这些数据在实验中很难得到或者得到的数据稀少且不精确［4］.

1.2CFD步骤

CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成，各自作用主要有：

前处理：⑴几何模型⑵划分网格.

求解器：⑴确定CFD方法的控制方程；⑵选择离散方法进行离散；⑶选用数值计算方法；⑷输入相关参数.后处理：对速度场、温度场、压力场及其它参数的进行计算机可视化及动画处理［5］.

2　分析部分

2.1分析前处理

2.1.1简化模型创建

为了减少计算量，把两个项目的分析模型简化为只有搅拌桶和2个搅拌桨，搅拌桶定义为定子，搅拌桨定义为转子，搅拌桨的CFD模型如图1所示.

图1　搅拌浆的CFD模型

2.1.2数值模拟假设

由于悬浊液及物料粒子对气体流动的影响甚微，为了把问题简单化，作出以下假设：

⑴示踪粒子是有体积（直径可设定）的质点；

⑵示踪粒子对流场无影响；

⑶示踪粒子之间无相互作用；

⑷示踪粒子的运动完全由流场决定.

2.1.3初始设置及边界条件

两个CFD分析项目除桨与桶内壁间距不同，其他设置完全相同，主要模拟参数设置有：

⑴长度单位为mm，分析类型为内部流动，粒子直径为1mm；

⑵流体的黏度随温度、剪切力作用而变化，属于

动态值；

⑶流体的动力粘度是同温下水动力粘度的1676倍，相当于3000cps.

⑷边界条件设置：搅拌桨的旋转区域，转速为100 rpm（从上往下看，顺时针方向），釜内壁和底面设置为静止，液面设为大气压（环境压力）默认初始条件.

2.1.4网格划分条件

两个项目中模型的定子与转子间隙很小，设定最小缝隙尺寸为0.1mm，最小壁面厚度为1mm，全局在采用自动设置，“初始网格的级别”设为6级，“最小壁厚”设为2mm，定子区域内进行网格细化，选择“高级狭长通道”，旋转区域还设定了局部细化网格，以获得关键部位的更细小的网格.经网格划分后，共得150万左右个网格，其中约120～130万个流体网格，18～19万个部分网格（即固体与流体边界的网格），每个项目的网格数如表1所示［6］.

表1　反应釜内网格数量统计

3　结果分析

3.1速度分布云图对比

两个项目位于搅拌桶中心对称截面上的速度分布云图如图2所示.

图2　速度分布云图对比

图2中左边项目1的速度云图，右边项目2的速度云图，其中超过1m/s的流体显示为红色.从图中可见项目2的速度最高可达到1.61m/s，并且存在较多的深色高速区，比项目1的高速区多很多，说明搅拌桨与桶壁距离为1mm时搅拌桶内的流体不仅流动更快，而且高速流动的更多，因而更利于搅拌，搅拌效率和效果都提高［7］.

3.2流动轨迹及粒子示踪研究

两个项目搅拌桶内的流动轨迹和粒子示踪对比如图3、图4所示.图3中左边为项目1的流动轨迹，右边为项目2的流动轨迹，图中超过1m/s的流体轨迹显示为红色.图4中显示，高速流体位于搅拌桨和搅拌桶壁之间，这是因为这些区域是搅拌桨的高速区域，模拟的结果符合实际情况，同样看得出项目2的高速流线比项目1的多，同样证明搅拌桨与桶壁距离为1mm时的搅拌效果要好.

由于粒子的直径是1mm，项目1的粒子可以通过搅拌桨和搅拌桶壁之间的缝隙，而项目2的粒子无法通过，所以项目1会造成有搅拌料粘附在搅拌桶壁上，需要刮避杆把物料刮向桶中心予以搅拌，项目2不存在这个现象，这个区域的物料被搅拌桨推动，获得高速后向桶周边流动.因此，再次搅拌桨与桶壁距离为1mm时的搅拌效果要好［8］.

图3　流线图对比

图4　粒子示踪对比

4　结语

通过CFD的有限元法对比分析搅拌桨与搅拌桶壁的距离分别为7mm和1mm时的搅拌效果，分析结果表明：

（1）对比两个项目，当搅拌桨与搅拌桶壁的距离为1mm时的搅拌效率更高，搅拌效果更好.

（2）由于粒子的直径是1mm，项目1的粒子可以通过搅拌桨和搅拌桶壁之间的缝隙，而项目2的粒子无法通过，所以项目1会造成有搅拌料粘附在搅拌桶壁上，需要刮避杆把物料刮向桶中心予以搅拌，项目2不存在这个现象，这个区域的物料被搅拌桨推动，获得高速后向桶周边流动.

因此，在设计搅拌桨与桶壁距离时，需要对物料颗粒的大部分直径进行测量，以选择最佳的设计搅拌桨与桶壁距离，使搅拌效果达到最佳.

［参考文献］

［1］陈璟，谢帮灵，吴国勇，等.基于CFD分析汽车三元催化器［J］.环境工程，2015（12）：0-94.

［2］陈璟，周金卿，李行可，等.基于“SolidWorks”软件的“Flow Simulation”插件选择分散盘［J］.中国胶粘剂，2013（12）：13-16.

［3］陈超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程（2013版）SolidWorks公司原版系列培训教程［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［4］邱伟华，邓宁，吴国勇，等.应用CFD技术分析室内空气质量［J］.柳州师专学报，2015（6）：115-119.

［5］陈璟，谢帮灵，周金卿，等.应用SolidWorks Flow Simulation优化定子结构［J］.中国胶粘剂，2014（11）：7-10.

［6］陈璟，余恒建，韦建敏，等.基于SolidWorks Flow Simulation乳化头效果分析［J］.粘接，2014（2）：52-56.

［7］陈璟，阮月丽，余恒建，等.基于CFD技术优化乳化头转子结构［J］.粘接，2014（10）：77-82.

［8］陈龙，陈璟，李志海，等.基于SolidWorks Flow Simulation优化球阀结构［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2014（9）：60-63.

（责任编辑：李洁坤）

The Influence of the Clearance between Blade and Bowl on Mixing Based on the CFD Technology

CHEN Jing1，HUANG Meizhen2，WU Guoyong3，DENG Changjian4，5，6
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liuzhou Vocational & Technical College，Liuzhou，Guangxi，545006 China；2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liuzhou City Vocational College，Liuzhou，Guangxi，545036 China；3.Guangxi Science & Technology Normal University，Laibin，Guangxi，545036 China；4. Liuzhou HUGEST Chemical Machinery Co.，Ltd，Liuzhou，Guangxi，545005 China；5. Liuzhou Beidifen Technology Co.，Ltd，Liuzhou，Guangxi，546100 China；6.Guxangxi New Well Technology Co.，Ltd，Guilin，Guangxi，541004 China）

Abstract：SolidWorks Flow Simulation was applied to predicatively analyze the flow conditions of two kinds of clearance between blade and bowl: 1）one gap is 7mm，2）the other gap is 1mm. Pictures of velocity flow contours，flow trajectories and particle studies were obtained to compare the results of the two projects. The results show that reducing the clearance between bowl and blade could improve the material mixture stirring speed to a certain extent.

Key words：battery slurry preparation；clearance between blade and bowl；Flow Simulation；CFD

中图分类号：TP399

文献标志码：A

文章编号：2096-2126（2016）01-0123-04

［收稿日期］2016-01-16

［基金项目］广西科学研究与技术开发计划课题（桂科能15122O01-2-8）；2015年教育部人文社会科学研究青年基金项目（15YJC880058）；2015广西职业教育教学改革“高职院校举办高端应用型本科人才培养的研究与实践——以机械工程专业（职师班）为例”（桂教职成［2015］22号）；2015年柳州市科学研究与技术开发计划课题（2015c010303）；广西教改项目“基于区域性汽车技术加强专业建设的研究与实践”（2014JGZ183）的阶段性研究成果。

［作者简介］陈璟（1984—），女，广西柳州人，硕士，讲师，研究方向：流体分析CFD、模具优化设计。

［通讯作者］吴国勇（1967—），男（壮族），广西柳州人，高级工程师，研究方向：高分子材料。