不同挡板数搅拌桶流场的数值模拟

王明奎，令狐志强

（1.山西晋煤集团 长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000；2.山西潞安煤基合成油有限公司，山西长治 046000）

0 引言

搅拌是一极重要的操作单元，在化工、冶金、食品、饲料等行业广泛应用，特别是在化工行业使用最多。搅拌能够使物料混合均匀，强化传质、传热，是促进化学反应以及分散乳化的重要手段。搅拌时首先通过对流扩散和湍流扩散使物料在两个大尺度下进行混合，再使小微团均匀混合到分子尺度［1－3］。北京化工大学周国忠［4］等人评价了搅拌内流场的各种模拟处理方法，采用多重参考系法实现了搅拌槽内的整体数值模拟。张林进［5］等人用标准模型研究了DT和PTU型桨叶搅拌器内的湍流场，结果表明：对于PTU和DT桨叶，理论预测速度场分布规律与LDA测试结果吻合较好，理论预测漩涡的空间位置坐标与实测值完全一致。本文采用数值模拟的方法研究搅拌桶内附件——挡板对传质混合的影响，以及搅拌桶内挡板数量及其安装方式对流体流动状态的影响［6，7］。

1 搅拌槽模型

本文对制造简便、应用广泛的折叶开启涡轮式搅拌器进行数值模拟，研究搅拌桶中挡板个数对搅拌效果的影响。搅拌桶内的流体进行三维流动，按柱坐标可分解为轴向流、切向流和径向流。轴向流和切向流相对应于流体混合的对流扩散和涡流扩散，径向流侧重于分子尺度的混合。

搅拌桶的结构参数如下：桶体直径为Φ90 mm，桶高为200 mm，挡板离壁安装且距槽壁为5 mm，挡板宽度为10 mm；搅拌器选取折叶开启涡轮，叶片个数为4或6，叶片夹角θ为90°或60°，叶轮半径为22 mm，叶片高度为11 mm，叶片厚度为4 mm，叶轮距离桶底为25 mm。叶轮结构如图1所示，挡板数为4的搅拌桶体示意图如图2所示。

2 数值模拟

本文搅拌器的模拟流场采用标准κ－ε模型，对于搅拌桶中的旋转区域和静止区域的处理选用多重参考系。旋转坐标系处理搅拌桶内的旋转区域，采用四面体网格处理；其他区域为静止坐标系，选用六面体网格划分。压力－速度耦合采用SEMPLE算法，流体流态为稳态流，壁面函数为标准壁面函数，模拟残差为10－5，搅拌的流体为水，搅拌速度为1 500 r／min［8］。

图1 叶轮结构图

图2 挡板数为4的搅拌桶体示意图

本文在相邻两个挡板中央的面上且距圆心为r＝28 mm处分析了随轴向距离变化的各种速度场，其中，与重力加速度方向相反为轴向速度的正方向，反之为负；径向速度的正方向为轴心指向搅拌桶壁，反之为负；切向速度的正方向为轴旋转的方向，反之为负。

3 模拟结果与讨论

图3为合速度矢量图。由图3可知，流体经叶轮作用后，一部分向槽底运动，之后沿桶体上升，在桶体中央与叶轮形成一个流体的循环，进而将流体搅拌混合均匀。

图4为不同轴向距离（以桶底为原点）时合速度分布图。由图4可知，在叶轮处合速度较大，随轴向距离的增加合速度逐渐减小。从图4中可以清楚地看到，桶体均匀布置4个挡板时，合速度较大。

图5为不同轴向距离时轴向速度分布图。由图5可知，随轴向距离的增加轴向速度逐渐增大，在经过叶轮处后逐渐减小，在轴向距离为0.05 m时轴向速度方向发生改变。在4挡板搅拌桶中，其轴向速度较大，有利于轴向流体的均匀混合。

图3 合速度矢量图

图5 不同轴向距离时轴向速度分布图

图6 为不同轴向距离时切向速度分布图。由图6可知，在4挡板搅拌桶中，流体的切向速度随轴向距离的增加整体比6挡板搅拌桶时大。切向速度在叶轮附近处较大，其次是槽底区域，在桶体较高处切向速度基本较小。

图7为不同轴向距离时径向速度分布图。由图7可知，在轴向距离较小时（即槽底区域）径向速度较小，在叶轮区域处，径向速度较大。在轴向距离为0.05 m以上时，径向速度基本为0。4挡板搅拌桶中，径向速度较大。

图4 不同轴向距离时合速度分布图

图6 不同轴向距离时切向速度分布图

图7 不同轴向距离时径向速度分布图

4 结论

在小型搅拌桶中，明显发现挡板数为4时，对搅拌混合传质影响较大的合速度、轴向速度、径向速度、切向速度都较挡板数为6时大，且可以更加节省能耗，对于大型的搅拌桶中挡板个数还需要进一步研究。

［1］ 袁炀，曾程，李璐，等.高剪切混合罐内物料流场的可视化与结构改进［J］.食品与机械，2009，25（3）：69－73.

［2］ 蒋勇.搅拌槽内微观混合的研究［D］.北京：北京化工大学 ，2004：12.

［3］ 武道吉，张永吉，李圭白，等.湍流混合动力学机理研究［J］.水科学进展，2003，14（6）：707－709.

［4］ 周国忠，施力田，王英琛.搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展［J］.化学工程，2004，32（3）：29－32.

［5］ 张林进，叶旭初.搅拌器内湍流场的CFD模拟研究［J］.南京工业大学学报，27（5）：59－62.

［6］ 王凯，冯连芳.混合设备设计［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［7］ 陈乙崇.化工设备设计全书：搅拌设备设计［M］.上海：上海科学技术出版社，1985.

［8］ 令狐志强.双向推流搅拌桶的数值模拟与试验研究［D］.太原：太原理工大学，2011：20－32.