摘要：對(duì)于開啟渦輪式攪拌器的攪拌流場(chǎng)，采用多重參考系法、標(biāo)準(zhǔn) _κ－ε湍流模型和 ＳＩＭＰＬＥ算法，應(yīng)用 Ｆｌｕｅｎｔ軟件對(duì)其
 
進(jìn)行數(shù)值模擬，并用ＰＩＶ實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，選用的 ＭＲＦ模型符合實(shí)際；對(duì)葉片數(shù)為４、槳葉傾角為４５°、槳徑為１００ｍｍ的常用開啟渦輪式攪拌器在轉(zhuǎn)速為１２０ｒ／ｍｉｎ時(shí)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向流，在擋板附近形成漩渦，在釜底存在攪拌死區(qū)；對(duì)攪拌器葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數(shù)為６時(shí)所產(chǎn)生的攪拌死區(qū)**少，攪拌效果**佳。
引言
 
攪拌器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、食品、醫(yī)藥、發(fā)酵、排污等各種行業(yè)^［１］，攪拌器葉輪是攪拌過程的主要換能器件，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的葉輪所造成的流場(chǎng)和混合效果差別很大，故對(duì)攪拌器進(jìn)行流場(chǎng)分析和優(yōu)化^{［２－３］}成為必要。近日，隨著_ＣＦＤ^{［４－６］}在攪拌釜中應(yīng)用，可通過ＣＦＤ對(duì)攪拌器進(jìn)行流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，較傳統(tǒng)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法有更大的優(yōu)越性，對(duì)攪拌釜的開發(fā)和調(diào)控產(chǎn)生重大影響。雖然ＣＦＤ會(huì)縮短實(shí)驗(yàn)周期，但是真實(shí)的流動(dòng)情況需通過試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證^［７］。
 
本文以 ＣＦＤ 技術(shù)作為攪拌器流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論分析基礎(chǔ)，并用ＰＩＶ 驗(yàn)證模擬的正確性。采用ＦＬＵＥＮＴ對(duì)攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了開啟渦輪式攪拌器在不同結(jié)構(gòu)下的流場(chǎng)，并對(duì)攪拌器進(jìn)行優(yōu)化，為攪拌器的開發(fā)和選型提供了依據(jù)。
 
１ 實(shí)驗(yàn)裝置
 
１．１ 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />  
實(shí)驗(yàn)所用攪拌釜為帶蝶形封頭的圓柱形釜體，直
 
徑Ｄ＝２９０ｍｍ^，液面高度 Ｈ＝Ｄ^，槳徑為ｄ＝１００ｍｍ^，
葉片寬度ｂ＝１０ｍｍ，槳葉離底高度Ｃ＝ｄ。為了減少

釜壁對(duì)光線的折射作用，將攪拌釜置于玻璃方槽中。釜體內(nèi)有４塊擋板，擋板寬度Ｂ＝５ｍｍ，葉片數(shù)Ｚ＝４，流動(dòng)介質(zhì)為水。為避免激光照射到攪拌器表面行成散光，實(shí)驗(yàn)前需將攪拌器和攪拌軸表面噴上均勻的黑漆。
 
１．２ 流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
 
流場(chǎng)的測(cè)量方法主要有皮托管法^［８］、熱膜風(fēng)速儀法^{［９－１０］}、激光多普勒測(cè)速技術(shù)^{［１１－１２］}、激光超聲測(cè)量技術(shù)、電化學(xué)法、攝影法、粒子圖像測(cè)速。而ＰＩＶ 技術(shù)打破單點(diǎn)測(cè)速技術(shù)的限制，既具備單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的分辨率和精度，又具備平面流場(chǎng)顯示的瞬時(shí)圖像和整體結(jié)構(gòu)，揭示出了流動(dòng)場(chǎng)湍流流動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)，故本實(shí)驗(yàn)采用粒子成像測(cè)試技術(shù)^{［１３－１４］}。該測(cè)量?jī)x由照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機(jī)和分析軟件組成。
 
２ 數(shù)值模擬
 
２．１ 控制方程
 
攪拌釜的 ＣＦＤ 分析可以看作是在流體流動(dòng)基本守恒定律下對(duì)流體的模擬，這三個(gè)基本的守恒定律是：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，而控制方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。

２．２

網(wǎng)格劃分

利用

／

進(jìn)行建模，導(dǎo)入到

ＩＣＥＭＣＦＤ

進(jìn)行網(wǎng)

ＰｒｏＥ

格劃 分。 采 用 多 重 參 考 系［１５］ （

ＭｕｌｔｉｐｌｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅ

，

）方法解決攪拌區(qū)域的運(yùn)動(dòng)問題，將攪拌

ＦｒａｍｅＭＲＦ

釜分為槳區(qū)域和槳外區(qū)域，通過在交界面上的插值轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同區(qū)域的速度匹配。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為２１４８９４個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為３９５３３個(gè)。
 
２．３ 模擬方法
采用ＦＬＵＥＮＴ軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，用標(biāo)準(zhǔn) _κ－ε湍
 
流模型模擬流體的流動(dòng)。攪拌過程中液面與大氣接觸，邊界條件設(shè)為自由液面；所有釜體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件。壓力 ― 速度耦合采用 ＳＥＭ－ＰＬＥ算法，流動(dòng)狀態(tài)為定常流動(dòng)；由于使用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用二階迎風(fēng)差分格式以提高計(jì)算精度；計(jì)
算殘差設(shè)定為_１０^－３。
 
３ 攪拌流場(chǎng)分析
 
３．１ 流場(chǎng)數(shù)值模擬
 
為了觀察分析攪拌釜內(nèi)攪拌軸附近流體的速度大小及分布情況，截取軸向的０°切面的速度云圖和速度矢量圖，如圖１所示。從圖１（ａ）可以看出，液流的高速區(qū)主要集中在槳葉附近以及其下方的帶狀區(qū)域；另外，在槳葉下方有一個(gè)低速的自下向上流動(dòng)的三椎體區(qū)域，此區(qū)域容易產(chǎn)生攪拌死區(qū)。從圖１（ｂ）可以看出，流體有較大的軸向分量，流體在撞擊擋板之后繼續(xù)沿著擋板向下流動(dòng)，從下邊緣進(jìn)入槳葉，擋板附近形成漩渦。在封頭內(nèi)的流體沿著釜壁向中心流動(dòng)，在釜底形成攪拌死區(qū)。

比較

ＰＩＶ

實(shí)驗(yàn)和

數(shù)值模擬結(jié)果可知，漩渦

各個(gè)截面的分析，獲得**佳攪拌效果的攪拌器結(jié)構(gòu)。

Ｆｌｕｅｎｔ

位置基本一致，流型也基本一致。通過時(shí)均速度圖可

通常，軸向流、攪拌死區(qū)少、攪拌速度大、數(shù)量較多的漩

知實(shí)驗(yàn)和模擬的時(shí)均速度分布和中值基本一致，且**

渦能達(dá)到更好的攪拌效果。初始數(shù)據(jù)：葉片數(shù)

大速度都在葉端位置，分別為

／ 和

／。

傾角

，槳徑

，轉(zhuǎn)速

０．０４６ｍｓ

０．０４５ｍｓ

４５°

１００ｍｍ

由于軸的柔性，在轉(zhuǎn)動(dòng)中速度有一定波動(dòng)，存在一定誤

４．１

葉片數(shù)對(duì)槳性能的影響

差。綜上所述，

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確

圖

３

給出了在相同槳葉傾角

ＰＩＶ

性，選用的

ＭＲＦ

模型符合實(shí)際。

、轉(zhuǎn)速

／

＝１００ｍｍ

１２０ｒｍｉｎ

攪拌器的優(yōu)化

種不同葉片數(shù)下能表達(dá)釜內(nèi)整個(gè)宏觀流動(dòng)場(chǎng)的模擬結(jié)

４

果，考慮到釜內(nèi)有４個(gè)擋板，故每種葉片數(shù)下表達(dá)釜內(nèi)

通過對(duì)不同葉片數(shù)、不同槳徑和不同槳葉傾角在

整個(gè)流場(chǎng)的截面都不同。

５
	根據(jù)流體力學(xué)理論，采用Ｆｌｕｅｎｔ對(duì)攪拌釜內(nèi)部流
場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并用 ＰＩＶ 對(duì)模擬進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表
明，				實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致，選用的
	ＰＩＶ
		模型符合實(shí)際；對(duì)葉片數(shù)為  、槳葉傾角為
ＭＲＦ
							４
槳徑為			１００ｍｍ			的常用開啟渦輪式攪拌器，在轉(zhuǎn)速為
	／				時(shí) 槳葉區(qū)產(chǎn)生徑向流 在擋板附近形成漩
					，		，
１２０ｒｍｉｎ
渦 在釜底存在攪拌死區(qū) 通過改變攪拌器葉輪的設(shè)計(jì)
	，					；
參數(shù)，對(duì)所得到的模擬結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳
徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數(shù)為６時(shí)所產(chǎn)生的
攪拌死區(qū)**少，攪拌效果**佳。