基于FLUENT的潜水搅拌器数值模拟

龚发云, 潘明铮, 汤 亮

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

基于FLUENT的潜水搅拌器数值模拟

龚发云, 潘明铮, 汤 亮

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

以潜水搅拌器桨叶为研究对象，探讨其参数对搅拌效果的影响规律。以CFD软件为计算平台，采用标准k-ε方程，建立潜水搅拌器桨叶区的二维几何模型，运用多重参考系法(MRF)对区域进行划分，模拟不同桨叶直径、桨叶转速及桨叶数的潜水搅拌器内部流场。研究表明：搅拌桨直径、转速以及片数的增加均有利于流体均匀混合，搅拌效果更好。

潜水搅拌器； 桨叶； 流场分析； 数值模拟

在污水处理工艺中，池中污水需要保持循环流动，以保证池中有足够的溶氧让各种反应顺利进行。潜水搅拌器是一种新型、高效的搅拌、推流装置，也是污水处理中的重要设备之一，在提高传氧效率、均化介质以及水力循环等方面有显著效果，被广泛应用于污水处理厂曝气池和厌氧池中。潜水搅拌器搅拌和推流的效果对污水处理效率和质量有重要的意义。为研究影响其搅拌效果的因素，田飞[1]等研究了潜水搅拌器在污水处理池中的分布型式对池内搅拌效果的影响，袁寿其[2]等探讨了安装深度对潜水搅拌器的影响规律，认为靠近池底安装的潜水搅拌器更有利于防止固体颗粒沉淀。以上主要从潜水搅拌器的布局来研究其有效利用率，作为搅拌器的重要元件之一，桨叶的相关参数对搅拌流场也有重要的影响，张晓宁[3]等分析了潜水搅拌器桨叶在不同水平安装角度下的搅拌效率，徐伟幸[4]研究了不同轮毂比的桨叶对潜水搅拌器搅拌效果的影响，研究结果显示：小轮毂比的桨叶更有利于流体均匀混合。目前针对桨叶参数对潜水搅拌器搅拌效果的研究相对较少。本文以平叶型潜水搅拌器为例，重点分析了桨叶直径、转速及片数对其搅拌效果的影响规律。

1 流场建模

潜水搅拌器一般由搅拌槽、中心轴和桨叶等结构组成，其结构模型如图1所示。内部流场可分为上循环区、桨叶区和下循环区三部分[5]。

平叶型潜水搅拌器工作时流体运动主要表现在桨叶区的环向流动，其轴向方向运动较微弱。为了简化流场模型，本文采用一个二维模型来模拟桨叶区的搅拌情况，截取桨叶区的一个截面，利用MRF模型[6]进行求解。研究体系为定常流动，搅拌器内流体为水，以四桨叶搅拌器为例，建立流场二维模型(图2)，其几何尺寸如表1所示。

图 1 搅拌设备示意图 图 2 搅拌器流场二维模型

物理量参数值桨叶半径/mm200、250、300桨叶宽度/mm20搅拌槽半径/mm500液体密度/(kg·m-3)998．22液体黏度/(m2·s-1)1．003×10-3雷诺数>2×103

2 数值模拟理论基础

由于搅拌器内部流体流动特性较为复杂，所以用数值模拟的方式预测搅拌器内部流体的特性，对优化搅拌器结构、设计高效可靠的搅拌器十分必要。要保证模拟计算的可靠性和有效性，选择正确适合的数学模型至关重要。进行数值模拟计算，可以看成是对方程的求解，而方程是经过离散来进行求解的。流体的流动都要遵循质量守恒定律和动量守恒定律；当流体处于湍流状态时，还需遵守湍流输运方程。

2.1 控制方程

质量守恒方程和动量方程为[7]

式中：ui(i=1,2)为沿i方向的速度分量；fi为沿i方向的质量力；p为压力。

2.2 湍流模型

由于在此研究中该模型雷诺数较高，流动是湍流，且流体不可压，选用标准k-ε模型，其湍动能k和耗散率ε方程为[8]:

式中：ρ为流体密度；ν为流体的运动粘性系数；Pr为湍动能生成率，

2.3 边界条件的确定及求解

数值模拟过程使用了基于有限元法的fluent计算软件和二维单精度求解器。选择基于压力的半隐式求解方式，采用基于结构网格的SIMPLE算法对控制方程进行求解，激活标准k-ε方程，采用一阶迎风格式对湍流耗散率和湍动能方程进行离散，计算残差设置为1×104，本次模拟使用ANSYS14.0中的ICEM模块对几何模型进行四边形网格划分。

本次模拟中，由于桨叶在不停旋转，模型没有一个固定的边界条件，故采用多重参考系法，将流场区域划分为两部分：动区域和静止区域(图3)，桨叶所在圆形区域为动区域，使用的是运动坐标系，环形面为静止区域，采用的是固定坐标系。对于圆形区域内的流体，设定其与桨叶以相同的速度一起旋转，因此将桨叶定义为动壁面边界条件(Movingwall)，环形面区域定义为静止壁面边界条件(StationaryWall)，设定其区域内流体转速为0。圆形区域与环形面交界处设定为interface边界条件，其他外壁自动设定为Wall边界条件。

图 3 流场MRF模型

3 仿真结果及分析

潜水搅拌器桨叶转速一般在100～1 500r/min之间，桨叶直径通常在900mm以下[9]，若选取合理，不仅可以减少成本，降低能耗，还能达到良好的搅拌效果，实现设备最大利用率。流场整体速度大小以及流场分布均匀度是衡量搅拌槽内搅拌效果优良的重要标准。

3.1 不同桨径对流场的影响

模拟得到不同桨径下的流场速度分布云图(图4)和径向速度分布曲线(图5)。

(a)D=400 mm

(b)D=50 0mm

(c)D=600 mm图 4 不同直径下的速度云图

从图4可以看出，当D=400 mm时，搅拌桨边缘的流速最大，在中心区域形成一部分死角使流速为零，靠近搅拌器壁面处存在一环形面流体速度为0。当桨径增大到500 mm时，中心区域与壁面附近流速为0的面积减小，速度逐渐变大，分布趋于合理；当搅拌桨直径为600 mm时，速度为零的流场面积减到更小，混合更加充分。图5显示，虽然搅拌桨直径不同，但流场区域的径向速度分布整体相似，速度都是沿着径向方向缓慢下降，在靠近搅拌器壁面时速度均急速下降为0。结合图4-5可知，桨径为600 mm的搅拌器内流场整体速度高于桨径为400 mm和500 mm的搅拌器，流场分布更佳，对于混合更有利。综上分析可得，桨径为600 mm搅拌器搅拌效果最优。

图 5 径向速度分布曲线

3.2 不同转速对流场的影响

模拟得到不同桨叶转速下的流场速度分布云图(图6)和径向速度分布曲线(图7)。

从图6中可以看出，随着桨叶转速的增大，流场分布形式变化甚微，各区域流速均有所提高。从图7中可看到这一规律更加明显，三条曲线基本平行，随着桨叶转速的提高，相同位置的流体速度成倍增加，此时更有利于搅拌混合，同时对防止搅拌槽底悬浮物沉淀效果更好。

(a)v=5 r/s

(b)v=7 r/s

(c)v=9 r/s图 6 不同转速下的速度云图

图 7 径向速度分布曲线

结合图6-7可知，桨叶转速的提高对搅拌区域流体运动线型没有多大影响，只是使流场内整体流速有所提高。桨叶转速为9 r/s的流场分布较其他转速更均匀，整体速度更大。因此在桨叶转速为9 r/s时搅拌效果是最好的。

3.3 不同桨叶片数对流场的影响

模拟得到不同桨叶数下的流场速度分布云图(图8)和径向速度分布曲线(图9)。

(a)四桨叶搅拌器

(b)六桨叶搅拌器

(c)八桨叶搅拌器图 8 不同桨叶数下的速度云图

从图8中可以看出，虽然桨叶数不同，但最大流体速度均出现在搅拌桨边缘处，八桨叶搅拌器内流场分布无死角，靠近壁面处的速度也较大，其流场速度分布较四桨叶和六桨叶搅拌器更加均匀。从图9中可见，四桨叶流场径向速度比六桨叶和八桨叶搅拌器的小得多，说明四桨叶搅拌器搅拌效果最差，故增加桨叶数量可提高流场内整体速度。但八桨叶搅拌器的径向速度较六桨叶的提高幅度并不大，因此当桨叶数为6时，若想提高容器内整体速度，再增加桨叶数效果并不明显。结合图8-9可知，八桨叶下的流场整体速度较其他情况下更大，混合较均匀。因此八桨叶搅拌器的搅拌效果最佳。

图 9 径向速度分布曲线

4 结论

通过对潜水搅拌器桨叶区进行数值模拟，其流场呈现一定的规律性，流速最大点均在桨叶边缘，速度沿径向方向逐渐减小；桨径为600 mm时流场中心区域与靠近壁面处的速度比桨径为400 mm和500 mm下的大，分布更合理，搅拌效果最优；桨叶转速为9 r/s时流场整体速度最大，

搅拌效果较其

他转速情况下更好；八桨叶搅拌器内部流场比其他桨叶数下分布更均匀，更利于混合，搅拌效果最佳。同时也说明了CFD数值计算方法适用于本模型。

[1] 田飞，施卫东，卢熙宁，等. 潜水搅拌机分布对污水处理池搅拌效果的影响[J]. 排灌机械工程学报，2013(2):146-150.

[2] 徐伟幸, 袁寿其, 袁建平. 潜水搅拌器搅拌流场的CFD分析[C]// 中国农业机械学会2006年学术年会， 2006.

[3] 张晓宁，赵静野，王文海. 潜水搅拌器安装角度对搅拌效果的影响[J]. 北京建筑大学学报，2014(4):48-51.

[4] 徐伟幸，袁寿其. 基于FLUENT的潜水搅拌器搅拌流场分析[J]. 机械设计与制造，2011(9):155-157.

[5] 王旭东，张贤明. 关于螺旋搅拌装置稳定性优化设计仿真研究[J]. 计算机仿真，2015(6):208-211.

[6] Issa R, Luo J Y, Gosman D. Prediction of impeller induced flows in mixing vessels using multiple frames of reference[C]// European Conf. on Mixing, Imeche Symposium Series No， 1994.

[7] 汤亮，郭卫林，龚发云，等. 基于FLUENT的摇盖式异形盒烟支入盒工艺优化设计[J]. 包装工程，2016(11):71-77.

[8] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：15-19.

[9] 陈志平，章序文，林兴华,等.搅拌与混合设备设计选用手册[M].北京：化学工业出版社，2004：110-124.

[责任编校： 张 众]

Numerical Simulation of Submersible Agitator inside Two-dimensional Flow Field

GONG Fayun, PAN Mingzheng, TANG Liang

(SchoolofMechanicalEngin.HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068,China)

The influence of the parameters on the stirring effect is discussed in the study of the submersible agitator blade. using CFD software as the computing platform，standardk-εmodelwasadoptedtodescribetheturbulencepropertiesoffluidphase.Atwo-dimensionalnumericalsimulationoffluidwithinthebladezoneofthesubmersibleagitatorwasobtainedusingthemethodofmultiplereference.Theinternalflowfieldofagitatorwithdifferentdiameter,rotatingspeedandnumberofbladeswassimulated.Researchshowsthattheincreaseofthebladediameter,thebladespeedandthenumberofbladesisbeneficialtoUniformmixingoffluids,withbetterstirringeffect.

submersible agitator; blade; flow field analysis; numerical simulation

2016-09-21

汤 亮(1978-)，男，湖北十堰人，工学博士，湖北工业大学副教授，研究方向为轻工机械设计

1003-4684(2017)01-0093-04

TH

A

[第一简介] 龚发云(1964-)， 男，湖北鄂州人，工学硕士，湖北工业大学教授，研究方向为包装工艺、轻工机械自动化