不同桨径的浆式搅拌釜数值模拟

张瑞　李园艺　王红　李宣　张景坡

摘 要：浆式搅拌釜结构简单，广泛用于工业和细胞培养过程中。本文通过CFD对不同桨径的浆式搅拌釜进行数值模拟，分析其内部流场的流动状态。模拟结果表明，桨径为950mm时，釜内速度最高，最高速度为4.97m/s。隨着桨径的减小，釜内最高速度也减小；随着桨径的增大，搅拌轴所消耗的功率越大；随着转速的提高，搅拌轴所消耗的功率越大。

关键词：桨径；浆式搅拌釜；CFD；搅拌功率

搅拌釜式生物反应器广泛应用于微生物和细胞培养以及发酵过程中[1]。该结构比较简单，但不同桨叶形式的搅拌釜内部流场却很复杂。浆式搅拌釜是工业和生物反应器中常用的桨叶形式，但哪种桨径更符合生物反应器的生产要求，现有的设计方法大都依靠运行经验的积累，精度较差[2-3]。因此掌握不同桨径搅拌釜内流体的流动特性以及功率特性对搅拌釜的工程应用、优化设计等具有重要意义。本文通过CFD数值模拟对不同桨径的搅拌釜内部流场进行分析，不但节省了大量实验和计算的工作，还可以准确的得到浆式搅拌釜的搅拌特性。

搅拌效果好，能耗小是搅拌设备追求的目标[4-5]。对搅拌釜而言，搅拌能耗以搅拌功率为指标，因此本文通过CFD分别对推进式和涡轮式搅拌釜进行数值模拟，对比推进式桨叶和涡轮式桨叶在搅拌速度和搅拌功率方面的混合特性。

1 搅拌釜模型与网格划分

本文针对搅拌釜进行分析：桨径为0.8m，高2m，釜壁设置4个挡板，桨径为650mm、750mm、850mm、950mm。浆间距分别为600mm、700mm、800mm和900mm，底部用椭圆封底。

应用前处理器软件Gambit对模型进行网格划分，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的网格，槽内其他区域应用合理的分区方法采用结构化网格。

2 模拟方法

搅拌反应器模拟的一大难题是如何处理好运动区域（搅拌桨叶和搅拌轴）与静止区域（挡板和壁面等）之间的相互作用[6]。本文采用多重参考系法，定义了两个不同区域，其中搅拌区随搅拌桨叶转动，外部区域保持静止。湍流模型选择标准k-ε模型，压力-速度耦合采用SEMPLE算法，因为模拟混合时间所以选择非稳态进行计算，计算残差设定为1×10-3。

3 模拟结果与分析

3.1 速度矢量分布

搅拌转速都为100r/min的条件下对不同桨径的浆式搅拌釜釜内流体速度进行数值模拟。得知在相同转速下，浆式搅拌釜在搅拌桨叶区域流体的速度较高，桨径为950mm时，釜内速度最高，最高速度为4.97m/s。随着桨径的减小，釜内最高速度也减小。在远离桨叶的区域，四种桨径的搅拌釜釜内流体的速度范围差异较小，均介于0.12～0.77m/s之间。从速度矢量图我们可以看出，桨径为850mm时的平均速度高于其他桨径，在增强混合方面效果更好。因此桨径釜径比为0.5时，浆式搅拌釜的混合效果最好。

就漩涡分布而言，在两层桨叶之间有大湍流形成，主要以轴向流为主，在远离搅拌桨叶的区域有大的轴向漩涡产生，这一点非常有利于上、下层介质的交换，有利于提高混合效率。

3.2 搅拌功率

搅拌效果好，能耗小是搅拌设备追求的目标。对搅拌釜而言，搅拌能耗以搅拌功率为指标，因此本文通过CFD分别对不同桨径和不同转速的搅拌釜进行数值模拟。

四种桨径的搅拌釜转速都为100r/min，桨径为850mm的搅拌釜在转速为80r/min、90r/min、100r/min、110r/min下的搅拌功率如图所示。

由图2可以看出，随着桨径的增大，搅拌轴所消耗的功率越大，这是由于桨径越大，力矩越大，在转速一定的情况下，所消耗的功率越大。当桨径为950mm时，所消耗功率为6120w。桨径为650mm时，所消耗的功率最小，为3854w。

由图2可以看出，随着转速的提高，搅拌轴所消耗的功率越大。这是由于桨径一定时，力矩相同，转速越大，桨叶对流体的作用力越大，所消耗的功率越大。在转速110r/min时，所消耗功率为7471w，转速为80r/min时，消耗功率为2874w。

4 结论

（1）在相同转速下，浆式搅拌釜在搅拌桨叶区域流体的速度较高，桨径为950mm时，釜内速度最高，最高速度为4.97m/s。随着桨径的减小，釜内最高速度也减小

（2）在两层桨叶之间有大湍流形成，主要以轴向流为主，在远离搅拌桨叶的区域有大的轴向漩涡产生，这一点非常有利于上、下层介质的交换，有利于提高混合效率。

（3）随着桨径的增大，搅拌轴所消耗的功率越大；随着转速的提高，搅拌轴所消耗的功率越大。

参考文献

[1] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[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] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 邹寿长，李千祥，杨葆生等.大规模动物细胞培养技术研究进展，生命科学研究，2001，5（2）：102-108

[5] 王凯，冯连芳.混合设备设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[6] 欧舒 J.Y.著，王英琛等译.流体混合技术[M].北京：化学工业出版社，1991.

作者简介

张瑞（1990-），男，山东德州，山东科技大学，在读研究生。主要研究方向：固液分离技术与装备。