新型搅拌槽固液悬浮特性CFD研究

冯荣荣

【摘要】固液混合搅拌槽在石油、化工、制药、食品以及生物发酵过程中有着非常广泛的应用，对其进行的数值模拟和实验研究也很充足。传统的搅拌槽是利用槽内四块挡板实现固液悬浮，新型搅拌槽是采用底部的对数螺旋线导流板实现固体颗粒的悬浮。新型搅拌槽的显著特点是低剪切高传质，因此，深入研究并充分认识其混合优点，可以为工业设计及应用提供理论基础。

【关键词】新型搅拌槽；固液；悬浮；CFD

一、混合机理

传统的标准搅拌槽利用槽壁处的四块挡板来改善搅拌效果的，新型搅拌槽利用的是龙卷风的原理做成的，因此也可叫做中心龙卷流型搅拌槽。新型搅拌槽底部有对数螺旋线导流板，它对流体导流有着特殊的作用，本文通过利用CFX对两种搅拌槽进行对比模拟。

二、数值模拟

数值模拟采用的液相为水，固相为石英砂颗粒，颗粒的直径为0.05mm，颗粒的体积分数定为0.5%，设置转速为350r/min，搅拌桨叶采用的是六直叶圆盘涡轮桨。图1和图2是两种形式的搅拌槽内部结构图。

图3为标准搅拌槽和新型搅拌槽内轴截面处的速度矢量图。

通过CFD模拟图可知：传统搅拌槽和新型搅拌槽内，速度最大值均出现在搅拌桨叶附近，但流体的流动形态却有很大区别。在传统搅拌槽内，流体的流动在六直叶圆盘搅拌桨作用下主要先以径向流为主，即先向搅拌槽四周流，当流体碰撞到槽壁后，流向改变。一部分沿槽壁向上流动到达液面顶端之后再沿搅拌轴向下流动，最终回到搅拌桨附近，完成一个循环。另一部分流体向下流动，形成另外一个循环。由此可见，标准搅拌槽在全槽范围内形成了两个比较明显的循环流，不利于固液在全槽范围内达到比较理想的混合。

在新型搅拌槽中，虽然涡轮桨属于径向流搅拌桨，但由于在槽底对数螺旋线导流板的作用下，使得流体的流动主要以螺旋上升的轴向流为主，流体到达搅拌桨附近后，在搅拌桨的旋转作用下，流体流向四周槽壁，与槽壁碰撞之后向下流动，回到导流板，然后继续螺旋上升，以此重复达到一个完整的循环。新型搅拌槽在全槽范围内形成了一个大范围的循环流，返混效果好，利于全槽范围内固液的混合。

图4为轴截面处石英砂颗粒的体积分布云图。由图可知，在标准搅拌槽内，石英砂颗粒能够比较均匀的分散在整个搅拌槽内，而在新型搅拌槽中，石英砂颗粒主要分布在底端，只有一小部分分布在搅拌槽的中上层。主要原因是，由于此数值模拟耗费时间较长，我们在模拟时，设置的时间仅为一分钟，新型搅拌槽内的固液悬浮还未达到稳定状态，此结果也说明了，在相同的条件下，如果要达到较好的悬浮效果，新型搅拌槽需要的时间要比传统搅拌槽要长。

三、结论

通过CFX数值模拟分析，传统搅拌槽和新型搅拌槽在固液悬浮混合時，各有优缺点。传统搅拌槽在全槽范围内形成两个循环流，整体的混合效果较差，但在较短时间内，粒子的分布较为均匀。新型搅拌槽在全槽范围内形成一个大的混合流，整体返混效果好，但在较短时间内，粒子的分布未达到均匀状态，还需要我们做更长时间的模拟以及相应的实验来验证。

参考文献

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