不同挡板数搅拌槽内流场模拟

　， ， (南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京　211816)

固-液悬浮是过程工业中的一种典型单元操作，以实现颗粒的有效悬浮为主要目的，在食品、冶金、石油等行业均有广泛应用。搅拌槽是典型的固-液悬浮设备，结构设计合理的搅拌槽可使颗粒分布均匀，防止固体沉淀[1-3]。近年来，计算流体力学(CFD)技术的发展促进了搅拌槽的优化设计，利用CFD技术对搅拌槽进行数值模拟,极大地解除了实验设备、实验规模、实验成本及实验周期等对研究者在两相流的混合时间预测[4-7]、气液分散体系[8-10]等方面研究工作的制约，因而越来越受到研究人员的重视。目前有关搅拌槽固-液悬浮的研究，主要集中在临界悬浮转速以及悬浮高度方面，而关于挡板设置对搅拌釜内固-液悬浮影响的研究则比较少[11-12]。

文中利用计算流体力学软件Fluent对双层圆盘涡轮搅拌槽内固-液两相流场进行数值模拟，考察了搅拌槽内挡板数量对流场的影响，以及挡板设置对于搅拌槽内固-液临界悬浮转速的影响，为现实的工业生产提供一定的理论依据。

1　搅拌槽几何模型及模拟方法

1.1　模型结构

本文的计算模型与RUTHERFORD等[13-14]试验所用的搅拌槽模型一致，为直径d=294 mm的圆柱形平底搅拌槽，槽内均布4块挡板，每块挡板宽为b=d/10=29.4 mm,全部距搅拌槽壁5 mm。釜内液位高度H=d。槽内上下两层桨叶均采用标准六直叶圆盘涡轮桨对颗粒进行搅拌悬浮，搅拌桨直径D=d/3=98 mm，下层桨距离釜底距离为0.25d=73.5 mm，上层桨距离釜底位置为0.75d=220.5 mm，搅拌转速取250 r/min。

计算物系液相密度为998 kg/m3，动力黏度为0.001 Pa·s，固体的颗粒密度为2×103kg/m3，颗粒直径为50 μm。由于搅拌槽结构较为复杂，故网格划分采用非结构化四面体网格，并对搅拌轴、叶片等区域进行网格加密处理，网格总数约为62万。网格无关性检验表明，再增加网格对模拟结果已没有影响。圆柱形平底搅拌槽网格结构见图1。

图1　圆柱形平底搅拌槽网格结构

1.2　模拟方法

应用流体力学软件Fluent对搅拌槽内单相流场和固-液两相流场进行数值模拟。对固-液两相流采用Euler法[15-16]，将颗粒和流体均看成连续浆液相。此方法具有计算量小的优点，在高浓度的固-液两相流模拟中应用较广。对桨叶旋转区域和其他静止区域采用多重参考系法(MRF)[17]处理，湍流模型采用标准κ-ε模型，标准压力-速度耦合采用SEMPLE算法和一阶迎风差分格式，通过监测搅拌轴扭矩的方式确定计算是否收敛。

搅拌槽的流场分布受多种因素的影响，在模拟中采用单独改变一种因素的方法，来分析挡板数量对搅拌槽内流场和离底临界悬浮转速的影响。

2　搅拌槽内流场模拟结果与分析

2.1　模型验证

对CFD模拟的4块挡板搅拌槽流型与文献[13-14]中试验的单相流时两相邻挡板中间垂直截面流型进行对比，见图2。

图2　搅拌槽内液相流型数值模拟与文献[13-14]试验结果比较

从图2可以看出，在叶片顶部流体速度较大，两叶片之间形成平行流，这是由于桨叶间的距离较大所致[18]。比较图2a与图2b可以发现，数值模拟的结果与文献[13-14]试验结果在每层桨叶区均产生上下两个旋涡，CFD数值模拟的搅拌槽内流型与文献[13-14]试验的流型均为平行流，模拟结果和文献[13-14]中试验结果具有良好的一致性。

2.2　挡板数对液相速度的影响

挡板是消除搅拌槽内旋涡、改变槽内流动状态、促使流体在槽内产生上下垂直翻滚运动的有效措施。本文通过改变挡板数，研究了搅拌槽内流场中液相速度的分布情况。当挡板个数分别为0、2、4时，在r=0.25d(r为测点的径向位置)处z轴方向的液相速度分布见图3～图5。

图3　挡板数量不同时r=0.25 d处z轴方向液相径向速度分布

图4　挡板数量不同时r=0.25 d处z轴方向液相轴向速度分布

由图3可以看出，4块挡板时的径向速度最大，在两桨叶的顶端达到速度峰值，3种不同挡板数下的速度分布具有相似性。

从图4可以看出，4块挡板时的轴向速度较大，有利于轴向流体均匀混合。在每层桨叶区下部，轴向速度为正值，以上则为负值。这是由于旋涡的存在，使轴向速度的方向发生变化。

从图5可以看出，无挡板时的液相切向速度较大。这是由于无挡板情况下，切向速度未转化为轴向和径向速度，与文献[11]中结果一致。此外，设置挡板情况下，切向速度的峰值主要在桨叶附近区域，设置2块挡板和4块挡板时切向速度峰值均出现在叶轮顶部区域。

2.3　挡板数对固-液两相流场的影响

不同挡板数下搅拌槽内固-液两相流场中固体颗粒体积分数分布见图6。

图6　不同挡板数下搅拌槽内固-液两相流场中固体颗粒体积分数分布

从图6总体来看，搅拌槽内轴向固体颗粒体积分数分布出现明显的分层现象，以h/d=0.5为界，上下区域的固体颗粒体积分数分布差异较大。

结合图2进一步分析可知，此种现象主要是由于桨叶间距较大，桨叶之间相互作用较小，未形成合并流所造成的。同时比较图6中不同挡板数下固体颗粒体积分数的分布情况，无挡板时槽底固体颗粒体积分数较低可知，设置2块挡板和4块挡板时，搅拌槽底固体颗粒体积分数均较大。结合图3～图5中所示的3种情况下速度分布情况可知，切向速度对槽底固体颗粒体积分数的分布情况影响显著。

在图6的3种工况下，对应的槽底最大固体颗粒体积分数见图7～图9。从图7～图9可知，随着搅拌桨转速的增加，3种工况下搅拌槽底部固体颗粒体积分数均逐渐减小。依据文献[12]中提出的浓度判定依据，结合图7～图9分析可知，当固相体积分数φmax=0.52时，搅拌槽内达到完全离底悬浮。

图7　不同转速下无挡板时槽底最大固体颗粒体积分数

图8　不同转速下2块挡板时槽底最大固体颗粒体积分数

图9　不同转速下4块挡板时槽底最大固体颗粒体积分数

0块、2块、4块挡板条件下搅拌槽内离底临界悬浮转速分别为31.3 r/min、46.7 r/min、46.8 r/min。无挡板时槽内临界悬浮转速较小，与文献[12]中结果吻合。结合图3～图5中3种工况的速度分布以及图6中颗粒体积分数的分布情况分析可知，无挡板条件下槽内的切向速度较大，槽底颗粒体积分数较小，从而导致整个搅拌槽内的离底临界悬浮转速较小，进而可判断出离底临界悬浮转速对切向速度较为敏感。此外，从图7～图9还可知，挡板的设置有助于改善整体颗粒体积分数的分布，无挡板时搅拌槽内颗粒体积分数分布沿轴向高度方向降低的速度较快，液面处颗粒体积分数较小，槽内整体颗粒体积分数分布不均匀，与文献[11]的结果吻合。

3　结语

利用CFD对搅拌槽内的流场特性进行了数值模拟，完成了用CFD软件对不同挡板个数下搅拌槽内流场的模拟分析。模拟结果综合分析表明，均布4块挡板的槽内流型与文献[13-14]试验结果吻合，挡板的设置有助于增加轴向和径向速度，无挡板条件下槽内径向速度最大。搅拌槽内挡板数对固-液两相流流场的影响模拟结果表明，无挡板情况下槽内切向速度较大，槽底固相体积分数最小,临界离底悬浮转速最小为31.3 r/min，而挡板的设置有利于槽内颗粒体积分数分布均匀，提高颗粒局部体积分数。

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