基于Fluent的搅拌桨数值仿真及结构优化

詹民民 俞经虎 代 欣

(1. 江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122；2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122)

基于Fluent的搅拌桨数值仿真及结构优化

詹民民1,2俞经虎1,2代 欣1,2

(1. 江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122；2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122)

针对固-液两相流物料搅拌机，运用计算流体动力学数值方法，通过RNG-湍流模型、欧拉多相流模型进行数值仿真，在搅拌叶片安装间距和搅拌臂长度不同的搅拌桨作用下，分析卧式粉料搅拌机搅拌槽内的流场分布以及固体相的体积分数分布情况。基于数值模拟结果，选择合适的搅拌桨结构参数，可为进一步的优化提供理论参考。

搅拌机；搅拌桨；体积分数；两相流；Fluent

粉料混合搅拌机是粮食加工的关键设备之一[1-2]。目前，粉料搅拌机的设计主要依赖经验设计的方法，难以预测搅拌性能。随着计算机技术的发展，利用计算流体力学(CFD)研究搅拌槽内的流动特性和粉料混合效果逐渐受到重视。Micate等[3-4]基于欧拉多相流模型研究了搅拌槽内的固体颗粒分布规律并与试验进行对比；Kasat等[5]通过建立CFD模型使固-液搅拌器搅拌过程可视化并研究了固体颗粒对液相混合过程的影响；张少坤等[6]研究了搅拌桨高度对流场结构和功耗的影响；袁炀等[7]研究了高剪切混合罐内物料的流动情况，湍流静能与能量耗散率的分布，流量与转速的关系；严宏志等[8]针对卧式双轴搅拌器的均质混合，分析了不同工况对混合效果的影响，以及搅拌功率、搅拌效率和叶片冲刷磨损率的变化规律。然而，搅拌机细微的结构变化对混合效果的影响还不被学者们重视，针对搅拌桨结构参数小范围的变化和搅拌效果的对应关系的研究尚未见到。

本研究以国内某工厂制造的某型号饲料搅拌机为对象，拟改变搅拌机构中搅拌桨叶的安装间距和搅拌臂的长度建立不同的数值分析模型，针对固-液两相流混合物，将流体动力学方法应用于粉料搅拌机的搅拌效果研究，对比分析在不同的结构参数下流场的混合特性以及对搅拌效果的影响，研究结果有助于改善物料混合的均匀性，减少物料残留区域，对进一步的结构优化和设计生产具有现实意义。

1 网格模型的建立

基于某型号的搅拌机，在搅拌槽的流场数值模拟中，采用简化模型(见图1)，模型各参数如下：搅拌筒的长度L=2 000 mm，搅拌室最大直径R=920 mm，搅拌臂长度l=630 mm，搅拌叶片的轴向分布间距d=288 mm，叶片安装角度γ=45°，搅拌桨安装相位角η=60°，搅拌叶片厚度s=10 mm。 模拟分析转子不同的结构参数对流场的影响，需要针对不同参数的转子单独进行网格划分。在本研究中，针对搅拌臂的长度l和搅拌叶片的间距d进行变参数分析，在搅拌机实际模型l=630 mm和d=288 mm的基础之上，考虑到转子不与搅拌筒壁面发生干涉，在上述两参数附近进行取值，详细参数见表1。搅拌浆距离对比见图2，搅拌臂长度对比见图3。

考虑到搅拌叶片的厚度为10 mm，设置单元的基本尺寸为15 mm。将划分好的搅拌桨2D网格(共有9个网格模型)以及搅拌槽壁2D网格装配，并在此基础上分别生成3D单元。其中M630_288模型网格划分效果见图4、5。网格节点总数为547 237，3D单元数量为2 905 659，经检查网格质量满足分析要求。

2 搅拌槽流场模拟

计算使用软件是FLUENT 14.5，根据搅拌过程的湍流特性，采用双方程的标准k-ε模型[9-11]。同时，由于模型网格数量级较大，流动场的计算采用多重参考系法(MRF)。将饲料搅拌机的混合模拟工作介质简化为固—液两相流，定义第一相为24 ℃下的标准液态水，密度为998.2kg/m3、黏度为0.914 2mPa·s；第二相为自定义属性的颗粒固相，将固相简化为面粉颗粒，查阅相关文献[12-13]可知面粉密度为750kg/m3、黏度取383.4mPa·s、平均颗粒直径5μm、初始体积分数为10%。

设定边界条件：模拟在封闭的搅拌槽内的流动特性，流体区域和搅拌桨的接触面表面设置为旋转壁面，旋转速度为78rad/min；动流体区域与静止流体区域设置一对Interface交界面；其余为固定壁面边界，采用标准壁面函数；流场初始化之后求解并进行后处理。

3 结果与分析

饲料搅拌机的搅拌过程，本质上来说是一个混合过程，使固体颗粒在液相中均匀悬浮，混合的过程又与流场的结构密切相关[11]。搅拌桨在旋转过程中把机械能传递给流体，在搅拌桨附近形成高湍流动能的充分混合区域，并产生高速射流推动液体在搅拌容器内不断地循环流动，由此产生全流动域范围内的扩散运动。本试验研究的固—液混合两相流搅拌物料，主要针对速度场以及固体颗粒相的体积分数进行模拟，验证结构设计的合理性，同时为搅拌机确立合适的设计参数。

3.1 速度场分布

在主轴的作用下搅拌桨以一定的速度在流场中做圆周运动(此图的顺时针方向)，在角速度不变的情况下，搅拌桨上任意一点的线速度大小与其到旋转中心的距离成正比，而搅拌桨的转动会带动周边流体形成一定的流型。因此搅拌槽外围流体的速度会高于内围流体速度，通过理论和模拟的对比一定程度上可以验证数值结果的可靠性：

(1) 数值模拟过程中的角速度：n=78 rad/min。

(2) 搅拌桨最外点到旋转中心的距离：d=880 mm。

理论值与云图中的数据基本吻合，如图6、7所示，在误差允许范围内。同时可以看到，在搅拌叶片附近形成了一定强度的紊流区域，在叶片的带动下，此区域速度梯度较大；在搅拌槽的入口处由于空间较大，搅拌叶片离搅拌槽壁面相对较远，会在这个区域形成若干低速度场，减弱搅拌的效果；在搅拌槽的顶部和侧壁的交界处也存在相同的低速度区域。

3.2 固体相体积分数分布

为了进一步研究两相流混合物料的搅拌均匀程度，就固体颗粒相的体积分数进行分析。针对不同的搅拌机结构沿Z方向的直线L1从A1(0.487 7，0.792 0，0.000 0)到A2(0.487 7，0.792 0，2.000 0)以及Y方向的直线L2从B1(-0.244,-1.000,1.000)到B2(-0.244,1.000,1.000)做出体积分数分布曲线图。

图8、9给出了在不同的参数下，固体颗粒沿着线L1和L2的体积分数分布曲线图。

分析可知：卧式搅拌结构由于搅拌叶片是曲面造型(螺旋面)，在旋转过程中会产生一个沿着轴线方向的流场，在一定程度上使物料向Z轴负方向集中，所以会使Z轴负方向的固相体积分数比Z轴正方向稍大。同时，Y轴正方向对应加料空间，综合速度场分析可知这一区域混合效果弱、流动速度小，会造成固体颗粒在离心力的作用下聚集在这个区域使颗粒体积分数上升。

在离心力的作用下，固体颗粒会向外围堆积，导致了沿线L1上的固体颗粒体积分数比理论值(10%)偏小(因为数据线L1位于动区域内部)；沿线L2上的固体颗粒体积分数在Y轴的两端比Y轴中间段更大也更加趋向于理论值；并且，在两端搅拌槽壁面的阻挡下，会使周边区域的体积分数有明显的升高。

图10和图11分别表示了在不同模型沿Z方向(旋转轴方向)和Y方向(重力方向)上的固相体积分数，可以看到随着搅拌臂长度的减小，搅拌作用的平均体积分数增大更加靠近理论值；而在Y方向上这种趋势并不是很明显；同时在Z方向上，搅拌桨叶片之间的安装距离d=288 mm时并非更加有利于搅拌混合的均匀程度的提高，d=300 mm和d=268 mm时均有更好的搅拌效果；在Y方向，固体颗粒的体积分数分布对于搅拌桨叶片的间距d并没有很明显的相关性，即相比于Z方向，Y方向的搅拌作用对叶片间距的改变并不是很敏感。针对本文9个不同的搅拌机模型，搅拌臂l=630 mm、搅拌叶片间距d=268 mm时搅拌混合效果最好。

4 结论

(1) 搅拌槽的入料口处空间较大，且搅拌壁面之间有着大角度的过度连接，搅拌桨带动的射流在此处会有明显的减速，形成了若干低速度场，导致此处的搅拌效果较差。

(2) 搅拌槽内的Z方向和Y方向的固体颗粒体积分数表明，在螺旋叶片的作用下沿着Z方向类似“W”形的混合效果，即中间和两端的分数较高；在离心力以及密度的影响下，沿着Y方向类似“C”形分布，即搅拌槽的上下区域体积分数比中间区域高。

(3) 搅拌槽内固体颗粒相的体积分数表明搅拌臂长度的减小有利于搅拌混合效果的加强，而搅拌叶片的安装间距并没有类似的对应线性关系，叶片间距d=288 mm并不是最合适的选择，给出了最佳间距值或选择方向。

本试验讨论了不同参数的搅拌桨对固-液两相流搅拌效果的影响，通过固体颗粒体积分数的对比给出了搅拌桨进一步优化的可行性以及优化方向，但是由于搅拌设备尺度较

大，离散模型的单元较多，只能选取有代表性的几个参数进行比较，选择何种搅拌桨结构参数组合才能使搅拌效果达到最佳还有待于进一步研究。

[1] OCHIENG A, KIRIAMITIK. Experimental measurement and computational fluid dynamics simulation of mixing in a stirred tank: a review[J]. South African Journal of Science, 2009, 105(11/12): 421-426.

[2] 宋永鑫, 王卫国. 2011—2013年饲料粉碎技术研究新进展[J]. 饲料工业, 2014(5): 7-11.

[3] MICALE G, MONTANTE G, GRISAFI F, et al. CFD Simulation of Particle Distribution in Stirred Vessels[J]. Chemical Engineering Research & Design, 2000, 78(3): 435-444.

[4] MONTANTE G, MAGELLI F. Modelling of solids distribution in stirred tanks: analysis of simulation strategies and comparison with experimental data[J]. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 2005, 19(3): 253-262.

[5] KASAT G R, KHOPKAR A R, RANADE V V, et al. CFD simulation of liquid-phase mixing in solid-liquid stirred reactor[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(15): 3 877-3 885.

[6] 张少坤, 尹侠. 双层桨搅拌槽内流场的数值模拟[J]. 食品与机械, 2011, 27(1): 71-73.

[7] 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.

[8] 严宏志, 李新明, 吴波, 等. 卧式双轴搅拌槽的液固两相流数值分析[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2013, 44(2): 532-539.

[9] ZHAO Xiang, GLENN C, XIAO Zhi-gang, et al. CFD development for macro particle simulations[J]. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 2014, 28(5): 232-249.

[10] 赵小英, 杜飞龙, 向贤礼. 基于Fluent的搅拌槽内多相流数值仿真及研究[J]. 制造业自动化, 2015(13): 109-112.

[11] 杜飞龙, 李少波, 何玲. 卧式组合搅拌槽内固液混合物多相流模拟分析[J]. 食品与机械, 2013, 29(5): 111-114.

[12] 王春娥, 刘丽, 韩婵娟. 面粉粘度特性与面条品质的相关研究[J]. 现代面粉工业, 2012, 26(2): 36-39.

[13] 李锦雄. 面粉品质评定及粘度值的简易测定方法[J]. 广东饲料, 2001(4): 38-39.

Numerical simulation of agitating valve and structureoptimization based on Fluent

ZHAN Min-min1,2YUJing-hu1,2DAIXin1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipmentandTechnology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The method of computational fluid dynamics with RNGκ-εturbulence model and Eulerian multiphase flow model was used to the simulation of solid-liquid two-phase feed mixer. Distribution of fluid field and volume fraction of solid-phase were analyzed in the stirred tank of horizontal mixer under the effect of agitator blade with different installing space of mixing blades and various lengths of mixing arms. Based on the results, the appropriate structure parameters could be selected and the simulation also provides theoretical basis for the optimizing design.

mixer; agitating valve; volume fraction; two-phase flow; fluent

詹民民，男，江南大学在读硕士研究生。

俞经虎 (1973—)，男，江南大学教授，博士。 E-mail: jhyu@jiangnan.edu.cn

2017-01-03

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.016