组合斜叶桨作用下多相流数值分析

杜飞龙，段兴旺，吴永明

（1.贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳 550003；2.中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京100023）

组合斜叶桨作用下多相流数值分析

杜飞龙1，段兴旺2，*，吴永明1

（1.贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳 550003；2.中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京100023）

运用Fluent流体分析软件，以菜籽油、辣椒颗粒和花生粒构成的多相流属性为研究对象，结合Eulerian多相流模型，研究了单斜叶桨和组合斜叶桨搅拌作用下的速度场、密度场和各单相体积分数的分布状况。结果表明：当旋转速度为5 rad/s时，在组合斜叶桨作用下，多相流的紊流特性强度增加，整体流动速度提高；近壁区的高密度聚集现象得到明显改善，混合密度均匀化程度提高；各单相的体积分数分布值与初始设定值较为接近，可以实现多相流物料的均匀性混合。计算结果对相应的多相流混合特性机理分析具有一定的理论意义和参考价值。

油辣椒；多相流；组合斜叶桨；数值分析

多相流在生产生活中广泛存在，主要分布于能源、水利、化工、生物、冶金等行业中。多相流因成分较为复杂，其流动机理和状态分布形式的研究也存在较大的困难。近年来，国内外对于多相流现象的研究不断加强，尤其体现在搅拌过程中多相流的流场分布方面。Ochieng等［1］通过改变搅拌容器的相关参数，对物料箱中的固液混合相流进行分析，研究了其固相的悬浮特性；Taghavi等［2］通过试验与CFD仿真相结合的手段，对双桨涡轮式搅拌结构的搅拌功率及其损耗机理进行了研究；Klenov等［3］以多层搅拌结构为研究对象，探究了多相流中固态颗粒的分布特性；Montante等［4］选取PIV方法，针对固液混合流的搅拌过程进行分析，研究了颗粒的尺寸大小、沉降速度、浓度大小与固液混合流的湍流特性之间的关系；黄志坚等［5］以高黏度混合多相流为研究对象，利用CFD方法对螺带桨（LD）和ZBK+BKS组合桨搅拌时的流体特性进行数值计算，研究了混合过程中功率损耗、能量变化的机理；张林进等［6］研究了侧入式搅拌结构的安装偏角对多相流混合过程和分布状况；刘叶凤等［7］通过CFD相关方法，采用动网格技术，就D-T型卧式双轴搅拌装置作用下，物料槽内的压强域、速度场和湍流动力学能的分布进行分析，系统地研究了搅拌速度对三者的影响；李良超等［8］对双层圆盘涡轮桨搅拌作用下的轻密度颗粒进行计算，分析了搅拌槽内流场和固体颗粒的流动特性及分布规律，同时研究了搅拌速度和颗粒含量对固液悬浮混合均匀性的影响；朱娜等［9］利用CFX软件对不同搅拌釜内固液两相相关的流场特性进行数值计算，分析比较不同桨叶结构、桨叶位置以及搅拌速度作用下的速度矢量图、湍动能云图和固含率云图等，并对大桨叶龙卷流型搅拌结构进行了相应优化；赵小英等［10］通过Fluent进行数值仿真，研究了三斜叶-三辅助L桨作用下的各类流场分布情况和桨叶的应力分布规律。然而，多相流的流场分布研究仍存在一些缺陷：对于复杂固液混合多相流的研究仍不够深入，尤其是针对多相流的混合密度场分布问题研究甚少。

文章选取油辣椒特殊多相流为研究对象，采用Fluent流体仿真软件及混合物多相流模型，就单斜叶桨和组合斜叶桨搅拌结构的搅拌作用下，速度场、密度场和各单相分布情况进行对比分析，探究流场的相关特性，其研究结果对搅拌桨叶的设计、优化和实际应用具有指导意义。

1　搅拌结构及物料参数

对于研究的多相流混合物，为了增强均匀化搅拌效果，选取组合斜叶桨搅拌结构进行研究，该结构主要由料箱、搅拌轴和组合式斜叶桨组成，组合式斜叶桨包括三叶式桨叶组成，每片桨叶通过交叉型桨叶连接而成，如图1所示。搅拌结构的模型参数有：料箱直径D=420mm，桨叶半径R=150mm，单片交叉型桨叶的长度L=30mm，料箱总高H1=300mm，流体液面高度H2=250mm，桨叶离料箱底部的距离H3=120mm。将待搅拌的物料简化为液-固-固三相流，其中，液相为菜籽油，固相中一相为辣椒颗粒，另一相为花生粒，其具体参数见表1。

表1　搅拌物料的具体参数Table 1　Specific parameters of stirred material

2　计算模型

选用欧拉-欧拉模型对拟定的固液混合多相流进行研究，以下为欧拉-欧拉模型的控制方程组。

对于连续方程，其中第q相为：

对于动量平衡方程，第q相为：

对于压力应变张量，第q相为：

式中：vq为第q相的速度（m/s）；m˙pq为从第p相到q相的质量传递（g）；p为所有相共享的压力（N）；Rpq为各相之间的相互作用力（N）；Fq为外部体积力（N）；Flift，q为升力（N）；FVm，q为虚拟质量力（N）；μq为第q相的剪切黏度（Pa·s）；λq为第q相的体积黏度（Pa·s）。

3　数值分析

3.1网格划分

分析整体模型，结合实际需求，将区域分为流体域和固体域。对流体域进行网格划分，整体采用四面体，而近壁区域和临近桨叶的部分采用六面体划分，同时进行网格的精细化处理，图2为最终得到的网格划分图，其中网格数量为324 115。

3.2求解模型

采用Fluent流体分析软件对组合斜叶桨搅拌结构进行数值计算，其求解模型设置为：流体的上表面为自由面，临近料箱壁的面为无滑移边界，斜叶桨的临界面选取标准壁面函数，流体和固体桨叶的接触面为旋转壁面，旋转的速度设置为5 rad/s。

4　仿真结果及讨论

以油辣椒制品的多相流属性为研究对象，在单斜叶桨、组合斜叶桨的搅拌作用下，分析此多相流的速度场、密度场和体积分数等分布规律，进而指导搅拌结构的优化设计和流体理论研究。

4.1速度场分布

对于多相流的速度场分析，以不同的轴截面作为研究对象。图3中分别为单斜叶桨和组合斜叶桨在搅拌速度为5 rad/s作用下，截面X=0mm处的宏观流场速度矢量图。通过分析可以看出：单斜叶桨的搅拌过程中，料箱顶部和桨叶周围的流体速度较高，且临近桨叶的区域出现了不太明显的紊流现象；而在组合斜叶桨的作用下，整体的速度有一定程度的增大，在组合斜叶桨的桨叶周围，尤其在单片交叉型桨叶的连接区域，出现较为明显的紊流现象，在流体域范围内形成了轴向、径向的流动循环，有效地防止了近壁区因受到料箱壁面的影响而形成搅拌死角，流动效果较佳。

4.2密度场分析

4.2.1宏观密度场

对油辣椒混合物的密度分布情况，选取环形截面、纵截面、横截面进行研究。在单斜叶桨和组合斜叶桨的不同作用情况下，图4为r=130mm的环形面的密度云图，图5和图6分别为X=0mm的纵截面和Z=120mm的横截面处多相流的密度分布图。通过分析可知：在料箱壁面的作用下，近壁区域出现了相应的高密度区域，其中单斜叶桨作用下表现得较为明显，易形成搅拌盲区；而组合斜叶桨作用下，近壁区域的高密度区域基本消失，混合密度趋于均匀化，搅拌效果得到很大改善，这是因为交叉型桨叶造成了紊流效果，进而促进了物料的均匀化混合。

4.2.2Y轴方向密度场

对于Y轴方向的直线L（从A（40，-196，150）到B（40，196，150）），其多相流密度分布图见图7。由图中可见：两种搅拌结构作用下，均表现出物料箱壁附近的高密度聚集特点；与单斜叶桨相比，组合斜叶桨作用下的混合流体密度曲线波动较为平缓，说明流体密度有较好的均匀性，尤其在临近物料箱壁的区域，高密度性有明显的优化，基本避免了因高密度物质堆积产生搅拌死角的弊端。

4.3各相体积分数分析

对于油辣椒混合三相流来说，为了研究各单相之间的分布情况，进而为搅拌机理分析提供理论基础，选取各相的体积分数分布进行分析。针对两种不同的搅拌结构沿Y轴方向的直线L（从A（40，-196，150）到B（40，196，150）），计算出各单相的体积分数分布曲线图，如图8所示。通过分析可知：在单斜叶桨作用下，辣椒颗粒主要在槽壁临近区域堆积，体积分数有较大提高，而菜籽油则分布较少，因而造成了近壁区域的高密度物聚集，混合效果较差；而在组合斜叶桨作用下，各单相的体积分数分布曲线趋于平缓化，固相辣椒颗粒的体积分数基本分布在［54%，70%］，液相菜籽油的体积分数界于［23%，35%］，固相花生粒的体积分数界于［7%，18%］，与初始设定值较为接近，在近壁区的混合效果有了较为明显的改善，这主要是由于组合斜叶桨搅拌时有较强的紊流作用。

Under the action ofmonoclinic paddle

Under the action of combination pitched blade paddle

（Monoclinic paddle）Rapeseed oil phase

（Combination pitched blade paddle）Rapeseed oil phase

（Monoclinic paddle）Repper particles phase

（Combination pitched blade paddle）Repper particles phase

（Monoclinic paddle）Peanut kernels phase

（Combination pitched blade paddle）Peanut kernels phase

5　结论

文章通过Fluent流体分析软件，就单斜叶桨和组合斜叶桨不同作用下油辣椒多相流混合物料的各流场进行分析探讨，得到以下结论：

（1）从多相流的速度场中进行分析，组合斜叶桨作用下流动循环效果较佳。

（2）组合斜叶桨作用下，近壁区域的高密度区域基本消失，混合密度趋于均匀化，搅拌效果得到很大改善，基本避免了因高密度物质的堆积产生搅拌死角的弊端。

（3）组合斜叶桨作用下数值分析得到的结果与初始设定值较为接近，可以实现多相流物料的均匀性混合。

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Numerical AnalysisofM ultiphase Flow under the Influenceof Combination Pitched Blade Padd le

DU Fei-long1，DUAN Xing-wang2，*，WU Yong-ming1
（1.Key Laboratory ofAdvanced Manufacturing Technology，Ministry of Education，Guizhou University，Guiyang 550003，China；2.China Railway 16Bureau Group Metro Engineering Co.，Ltd.，Beijing100023，China）

In this paper，the Fluent analysis softwarewas applied，and themultiphase flow composed of rapeseed oil，pepper particles and peanut particleswas selected as the research object.The distribution of the velocity field，density field and individual single-phase volume fraction under the influence of amonoclinic leaf blade and a combination pitched blade paddle by Eulerian multiphase flow modelwas studied in present paper.The simulation results showed that，when the rotational speed was 5 rad/s，under the action of combination pitched blade paddle，the turbulence characteristics strength ofmultiphase flow was increased and the overall flow rate improved；high-density aggregation near the wall was significantly improved and the degree ofmixing uniform density increased.The volume fraction distribution value of individual single-phase was close to the initial value，which could achieve the uniform mixing ofmultiphase flow.The results provided certain reference and theoretical value for multiphase flow mixing characteristics correspondingmechanism analysis.

oil capsicum；multiphase flow；combination pitched blade paddle；numerical analysis

TS203

A

10.3969/j.issn.1009－6221.2016.04.014

贵州省重大科技专项计划项目（黔科合重大专项字［2012］6008）；贵州省科学技术基金项目（黔科合J字［2013］2127号）

杜飞龙（1988—），男，汉族，硕士，讲师，研究方向：先进制造模式与制造信息系统、食品机械设计。

段兴旺，本科，研究方向：先进制造技术、先进制造模式与信息系统等。

2016-04-01