涡轮式与推进式搅拌釜的数值模拟研究①

刘培坤 张 瑞 杨兴华 张悦刊 胡兆文

(山东科技大学机电工程学院)

涡轮式与推进式搅拌釜的数值模拟研究①

刘培坤 张 瑞 杨兴华 张悦刊 胡兆文

(山东科技大学机电工程学院)

采用CFD技术对涡轮式和推进式搅拌釜进行了数值模拟。结果表明：当转速为100r/min时，涡轮式搅拌釜桨叶区域流体的最高速度为3.10m/s，推进式的最高速度为2.36m/s，但推进式搅拌釜釜内流体的平均速度高于涡轮式的；在循环流区域，推进式搅拌釜釜内的湍动能数值范围为0.042 9～0.856 0m2/s2，涡轮式的为0.017 6～0.035 2m2/s2，推进式桨叶的流体排出性能更强；推进式搅拌釜釜顶、釜中和釜底处的混合时间比涡轮式分别缩短了34%、39%、54%，提高了混合效率。

搅拌釜 涡轮式 推进式 CFD 混合时间

搅拌设备在化工、石油、冶金、水处理及造纸等行业中应用广泛。搅拌器按流体流动形式可分为轴向流型和径向流型[1]，轴向流型搅拌器(如推进式搅拌釜)具有循环能力强、动力消耗低等优点，径向流型搅拌器(如涡轮式搅拌釜)具有径向排量大、分散能力强等优点。推进式和涡轮式搅拌釜因制造简单、混合效果好被广泛应用于搅拌工艺中，因此深入分析这两种搅拌釜釜内流体的流动特性对搅拌设备的选择具有重要意义。

目前，对搅拌釜的实验和理论研究已有很多，但相关的理论和设计计算方法仍不完善，并且在高温、高压等复杂情况下，在实验室很难得到所需的详细信息，不能准确指导工业实践[2]。20世纪80年代，国内外开始采用激光多谱勒测速仪LDV来测量搅拌釜的内部流场，但LDV仅提供了排出流量准数、时均速度及脉动速度等参数，而不能从本质上认识混合与流动[3]。厉鹏等采用先进的粒子成像测速仪PIV，可以瞬时得到整个流场分布，然而PIV技术还不完善，尚处于应用初期，无法测量高速湍流下的湍流参数[4]。

笔者采用CFD技术对推进式和涡轮式搅拌釜进行了数值模拟。在相同条件下，通过模拟推进式和涡轮式搅拌釜釜内流体的速度分布、湍动能分布和混合时间，分析比较两种搅拌釜的流体流动特性、排出性能和混合效率。

1 计算模型与模拟方法

1.1 物理模型

涡轮式和推进式搅拌釜的模型结构如图1所 示。两种搅拌釜釜体结构相同，釜径1.8m，高2.5m，桨径0.6m，釜壁设置6个挡板，底部采用椭圆形封头。

b. 推进式

1.2 网格划分

采用Gambit对搅拌釜模型进行网格划分，桨叶相对于釜体来说结构相对复杂，因此搅拌釜内的网格划分采用结构化和非结构化相结合的方法，动子区采用非结构化网格，槽内其他区域采用结构化网格。图2为涡轮式和推进式搅拌釜的网格划分。涡轮式搅拌釜网格总数为471 910，推进式搅拌釜网格总数为461 969。

a. 涡轮式

b. 推进式

1.3 模拟方法

流体在搅拌釜中的流动属于三维、粘性、不可压缩流动，湍流中流体速度、压力及温度等物理参数都随时间、空间发生随机变化，对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三维Navier-Stokes方程[5]。对于湍流模拟，笔者采用雷诺时均模拟。搅拌釜内的动区域与静区域是随时间变化的，为解决运动桨叶和静止挡板之间的相互作用，研究学者们提出了不同的解决办法，主要有“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法。笔者采用多重参考系法进行动静区域的模拟，其优点是能够实现搅拌釜内流动场的整体数值模拟，该方法适合预测桨叶挡板相互作用较小的体系，其时均结果对强相互作用的情况也较好[6]。

压力与速度的耦合方式采用SIMPLE算法。控制方程、k-ε方程的离散均采用一阶迎风格式。釜内介质为水，搅拌转速为100r/min。

2 数值模拟与结果分析

2.1 速度矢量分布和漩涡分布

在相同转速下对涡轮式和推进式搅拌釜的釜内流体速度进行数值模拟，结果如图3所示。

a. 涡轮式

b. 推进式

由图3可知，在相同转速下，涡轮式搅拌釜釜内流体在搅拌桨叶区域的速度较高，最高速度为3.10m/s，推进式搅拌釜的最高速度为2.36m/s，且高速区分布范围明显小于涡轮式。在远离桨叶的区域，两种搅拌釜的釜内流体速度范围差异较小，均介于0.12～0.77m/s之间。推进式搅拌釜釜内流体的平均速度高于涡轮式，说明推进式在增强混合方面效果更好。

对于涡轮式搅拌釜(图3a)，其径向涡流较多，在两层桨叶之间有大湍流形成，在上层搅拌桨叶上端和下层搅拌桨叶下端有小涡流产生，大涡流有利于轴向混合，小涡流主要以径向流为主。对于推进式搅拌釜(图3b)，主要以轴向流为主，在远离搅拌桨叶区域有较大的轴向漩涡产生，有利于上下层介质交换、提高混合效率。

两种搅拌釜的底层桨叶下部都出现了速度死区，该区域的流动速度极小，物质的传递和混合主要通过自由扩散进行。搅拌过程中会混有少量空气，底部搅拌死区的形成是流场循环和底层桨叶的持气特性共同导致的。涡轮式搅拌釜的底部速度高于推进式，因此搅拌釜底部具有一定的径向流动可减小死区区域范围。

2.2 湍动能分布

搅拌釜内流体的湍动能及其耗散率分布对于宏观和微观混合非常重要，因为湍动能表征了速度脉动的强度，它控制着流体的微团尺寸。

搅拌转速为100r/min，对涡轮式和推进式搅拌釜釜内的湍动能进行数值模拟，结果如图4所示。可以看出，涡轮式搅拌釜釜内湍动能分布极不均匀，主要集中在搅拌桨区和桨尾流区，范围为0.070～0.352m2/s2。搅拌釜釜壁和釜底与液面邻接处的湍流能量最小，容易造成该区域的混合不均匀。相比于涡轮式，推进式搅拌釜内部流场 的湍动能分布较均匀，并且湍动能数值明显高于涡轮式。在循环流区域，推进式搅拌釜釜内的湍动能数值范围为0.042 9～0.856 0m2/s2，涡轮式仅为0.017 6～0.035 2m2/s2，推进式搅拌釜釜内的湍动能明显高于涡轮式。因此，在相同条件下推进式搅拌釜的流体排出性能更强，更有利于流体充分混合。

a. 涡轮式

b. 推进式

2.3 混合时间

混合时间是表征搅拌釜釜内流体混合状况的一个重要参数。在模拟过程中，通常将其中一相设定为示踪剂，其物理特性与水相同。一般认为，当示踪剂浓度达到了最终稳定浓度值的±5%时，可以判定混合已经完成，所用时间即为混合时间[7]。本模拟中对两种搅拌釜均采用相同位置的加料点和监测点(图5)，搅拌釜容积6 000L。

图5 加料点和监测点位置

为了方便观察示踪剂浓度稳定值的±5%，得出不同监测点的混合时间，笔者将各监测点的浓度值最终稳定为1，各时间段的示踪剂浓度除以6.7×10-5，搅拌转速100r/min，两种搅拌釜不同监测点的示踪剂浓度响应曲线如图6所示。

图6 两种搅拌釜不同监测点的示踪剂浓度响应曲线

两种搅拌釜的混合时间见表1。可以看出，在3个监测点处，推进式搅拌釜的混合时间均比涡轮式的短，分别缩短了34%、39%、54%。这是因为推进式搅拌釜易形成轴向流，轴向流较径向流更有利于搅拌流场内上下区域介质的混合，从而缩短混合时间。因此，相比于涡轮式搅拌釜，推进式搅拌釜的混合效率更高。

表1 两种搅拌釜的混合时间 s

通过对比两种搅拌釜的混合时间可以发现，釜底处的混合时间最短，靠近液面位置的混合时间较长。对于轴向速度而言，图3中，下层液面的速度高于上层液面，说明下层的混合效率高于上层。但3个监测点的混合时间相差不大，说明两种搅拌釜内各处的混合程度比较均匀。

3 结论

3.1 在相同转速下，涡轮式搅拌釜桨叶区域流体的最高速度为3.10m/s，推进式搅拌釜桨叶区域流体的最高速度为2.36m/s。推进式搅拌釜釜内流体的平均速度高于涡轮式，因此在增强混合方面推进式搅拌釜效果更好。

3.2 涡轮式搅拌釜径向涡流较多。推进式搅拌釜主要以轴向流为主，在远离搅拌桨叶的区域有较大的轴向漩涡产生，有利于上下层介质交换、提高混合效率。搅拌釜底部具有一定的径向流动可减小死区区域范围。

3.3 在循环流区域，推进式搅拌釜釜内的湍动能数值范围为0.042 9～0.856 0m2/s2，涡轮式仅为0.017 6～0.035 2m2/s2，可见轴流型桨叶的流体排出性能更强，更有利于流体充分混合。

3.4 相比于涡轮式搅拌釜，推进式搅拌釜的混合时间分别缩短了34%、39%、54%，证明轴流型桨叶的混合效率更高。

[1] 王凯,冯连芳.混合设备设计[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2] 方键,桑芝富,杨全保.侧进式搅拌器三维流场的数值模拟[J].石油机械,2009,37(1):30～34.

[3] 张丽娜.涡轮桨搅拌槽内搅拌特性数值模拟研究[D].郑州:郑州大学,2007.

[4] 厉鹏,刘宝庆,金志江.搅拌釜内流场实验研究与数值模拟的进展[J].化工机械,2010,37(6):799～804.

[5] Kasat G R,Khopkar A R,Ranade V V,et al.CFD Simulation of Liquid-Phase Mixing in Solid-Liquid Stirred Reactor[J].Chemical Engineering Science,2008,63(15):3877～3885.

[6] Chen T,Wang L Q,Wu D Z,et al.Investigation of the Mechanism of Low-Density Particle and Liquid Mixing Process in a Stirred Vessel[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,2012,90(4):925～935.

[7] 苗一,潘家祯,牛国瑞,等.多层桨搅拌槽内的宏观混合特性[J].华东理工大学学报(自然科学版),2006,32(3):357～360.

NumericalSimulationofTurbo-typeandPush-typeStirredTanks

LIU Pei-kun, ZHANG Rui, YANG Xing-hua, ZHANG Yue-kan, HU Zhao-wen

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology)

Having CFD technology adopted to simulate turbo-type and push-type stirred tanks was implemented to show that, when the rotational speed is 100r/min, the maximum velocity of the fluid within the turbo-type stirred tank’s blade zone can be 3.10m/s and that in the push-type stirred tank is 2.36m/s, but the mean velocity of the fluid in the push-type tank is higher than that in the turbo-type tank; in the zone of circulating flow, the turbulent kinetic energy of the push-type tank ranges from 0.042 9 to 0.856 0m2/s2with 0.017 6 to 0.035 2m2/s2for the turbo-type tank and the fluid discharge performance of the push-type tank outperforms that of the turbo-type tank; and as compared to the turbo-type tank, the mixing time at the push-type tank’s upper, middle and lower points can be shorten by 34%, 39% and 54% respectively together with an improved mixing efficiency.

stirred tank, turbo-type, push-type, CFD, mixing time

刘培坤(1971-)，教授，从事固液分离技术与装备的研究，lpk710128@163.com。

TQ051.7+2

A

0254-6094(2017)01-0084-05

2016-01-28，

2016-03-15)