基于CFD技术优化乳化头转子结构

陈璟 陈四新 黄学通等

摘要：应用SolidWorks Flow Simulation对一款乳化头4个不同转子结构进行了CFD分析，通过仿真计算，直观地获得了釜内不同乳化头周围的流体速度分布云图和流线轨迹；通过粒子示踪法，模拟了制胶物料在乳化头作用下的分布状态；最后在乳化头出料口外定距设定一草绘面获取该面上的平均速度，以定量预测对比不同转子结构的乳化效果。通过CFD分析，可从4个方案中选择最佳结构，达到优化转子的目的。

关键词：胶粘剂制备；乳化头；Flow Simulation；流体分析；CFD

胶粘剂在制备初期，物料各相之间互不相溶，需要配置乳化头，以达到快速、均匀地将高黏度的溶液里的一个相或多个相分布到另一个连续相中。乳化头一般由转子和定子组成，通过转子高速旋转带动周围各相进入乳化区，使物料在定转子之间狭窄间隙内受到强烈的机械搅拌和剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用，使不相溶的固相、液相和气相迅速均匀精细地分散乳化，经过高频的循环往复，最终得到稳定的高品质混合分散均匀的产品。乳化头是非标准件，根据不同行业要求，可有不同的结构设计。胶粘剂制备中使用的乳化头结构设计是否合理，需要经过物理实验来验证。引入计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析后，在做物理实验之前，先对设计出的乳化头进行分析预测，可大大缩短产品开发周期。笔者先是运用了Flow Simulation对一款乳化头转速和流体黏度的关系进行了分析，观察到当流体黏度低时，提高转速可明显提高乳化效果，而流体黏度高时，提高转速对乳化效果的改善不如低黏度流体明显[1]。笔者先在此基础上，对此款乳化头的定子结构进行改良，对比了在相同条件下不同定子结构对整体乳化效果的影响，确定了最佳定子结构[2]。本文再以此最佳定子结构为前提，对转子结构进行改良，探索在相同条件下不同转子结构对整体乳化效果的影响，以确定转子的最佳结构。

1 分析部分

1.1 分析软件及数模

专业的CFD分析软件SolidWorks Flow Simulation，达索系统（Dassault Systemes S.A）下SolidWorks公司[3]；乳化头（定子及转子）、搅拌器等数模，柳州市豪杰特化工机械有限责任公司。

1.2 分析前处理

1.2.1 简化模型创建

文献[1]中乳化头原型结构结论有：（1）此结构的乳化头易在上料室产生积料；（2）对于高黏度流体，转子转速从3 000 r/min提高至6 000 r/min，物料分散效果增加幅度不比低黏度流体明显[1]。针对结论（2），首先要知道，将转速提高至6 000 r/min，电机功率增加及能耗高，而且对加固设备的强度和稳固性要求也提高。因此这种单纯从提高转速来达到加强乳化效果的方法，并不理想。最好能从结构上进行改进，作者先是基于转子不变，优化定子，取消了定子的顶梢，节约了材料，减轻了质量，将定子出料口更改成上宽下窄型，经对比，获得了最佳定子结构。基于此思路，本文在最佳的定子结构基础上，再对转子结构进行优化，进一步解决上料室的积料问题[2]。为了进一步缓解上料室的积料问题，提出上料室空间缩小或放大的设想，共设计了4个CFD分析项目，详见表1，其中：项目2相对项目1仅将转子叶加长至紧固中心，项目3相对项目2，将上料室高度减少了2 mm，项目4相对项目2将上料室高度增加了2 mm。

1.2.2 数值模拟假设

在实际制胶过程中，通过定子和转子相互运动，对悬浊液及物料粒子进行强力乳化分散。因悬浊液及物料粒子相对整个气体质量流量很小，对气体流动的影响甚微，因此，可用粒子示踪法来模拟胶体溶液里悬浊液及物料粒子随气流的运动状况，这类数值模拟分析是基于以下假设：1）示踪粒子是有体积（直径可设定）的质点；2）示踪粒子对流场无影响；3）示踪粒子之间无相互作用；4）示踪粒子的运动完全由流场决定[4]。

1.2.3 初始设置及边界条件

初始设置：长度单位为mm，分析类型为内部流动；新建高黏度流体的动力黏度，是同温下水动力黏度的1 676倍，相当于3 000 mPa·s，详见图1[1，5，6]。

边界条件设置：分散盘区设定为旋转区域，转速为3 000 r/min（从上往下看，逆时针方向），釜内壁和底面设置为静止，液面设为大气压（环境压力）默认初始条件。4个CFD分析项目除转子结构不同，其他设置完全相同，各乳化头三维模型均由1个封闭桶体、1根旋转轴、1个乳化头（含定子和转子各1个）组成。

1.2.4 网格划分条件

本模型定子与转子间隙很小，设定最小缝隙尺寸为0.1 mm，最小壁面厚度为1 mm，全局在采用自动设置下，“初始网格的级别”设为6级，“最小壁厚”设为2 mm，定子区域内进行网格细化，选择“高级狭长通道”，旋转区域还设定了局部细化网格，以获得关键部位的更细小的网格，各结构的网格总数略有差别，大致为230万左右，详见表2。

1.3 CFD后处理表征

求解收敛后，采用速度云图、流线轨迹、粒子示踪法等后处理方法来模拟胶体溶液中悬浊液及物料粒子随气流的运动状况。

2 结果分析

2.1 速度分布云图

2.2 流动轨迹及粒子示踪研究

2.3 局部速度定量分析

3 结语

（1）针对转子的原型结构[1]，提供了3个设计方案，通过对“相同定子、不同转子”乳化头进行了CFD分析，模拟出4个项目的乳化头周围流体速度云图、流线轨迹、粒子示踪（物料分散）状况。经综合对比可知：①将转子叶加长至紧固中心，能提高粒子的分散速度；②将上料室空间缩小或扩大，并不能有效解决上料室的积料效果。

（2）对于最原始的设计，通过点参数方法获得的出料口外的流体平均速度是0.260 m/s，优化定子后，平均速度提至0.281 m/s[2]，优化转子后，平均速度提至0.351 m/s。可见，通过CFD技术可对乳化头结构进行不断优化。

（3）在下一步优化中，可以尝试在转子盘上打孔，以促进上料室和下料室之间、上下料室与乳化头外界之间的粒子交换。至于在转子盘上打孔后的效果如何，则需要再进一步进行CFD流体分析验证。

参考文献

[1]陈璟，余恒建，韦建敏，等.基于SolidWorks Flow Simulation乳化头效果分析[J].粘接，2014（2）：54-58.

[2]陈璟，李行可等.基于FLOW优化乳化头定子结构[J].中国胶粘剂，2014（11）.

[3]陈超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4]王晓瑾，彭炯，杨伶，等.行星式搅拌釜内高黏固液两相流的数值研究[J].计算机与应用化学，2011（10）：23-28.

[5]陈璟，周金卿，李行可，等.基于"SolidWorks"软件的"Flow Simulation"插件选择分散盘[J].中国胶粘剂，2013（12）：13-16.

[6]陈璟，梁健，周金卿，等.基于SolidWorks Flow Simulation的滤清器过滤效果流体分析[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013（9）：56-59.