浇注搅拌机内部流体均混时间模拟研究＊

曹晓畅，齐国良，王文昌

（1.东莞理工学院，广东 东莞523000；2.安徽科达机电有限公司，安徽 马鞍山243000）

浇注搅拌机是一种工业设备[1]。对按一定配比注入罐体的料浆、水泥、生石灰、石膏及铝粉膏悬浮液体进行搅拌，使之均匀混合，充分反应，并及时将混合料浆注压模框内。在罐内，搅拌强度和时间对加气混凝土的质量有很大的影响。它的搅拌效果不仅影响料浆的发气率，还影响坯体强度的均匀性和生产效率[2]。随着需要解决的问题越来越复杂，实验所需时间成本及经济成本越来越高，低成本、高效率的CFD 模拟方法得到越来越多的认可[3-5]。

本文采用CFD 方法，根据工业生产用搅拌机的原型，等尺寸建立几何模型，对一些无关的连接件结构作一些简化处理，考察了三种不同搅拌桨型对搅拌效果的影响。

1 数学模型的建立

1.1 建模及网格划分

根据实际的物理模型，等尺寸建立几何模拟，对一些无关的连接件结构作一些简化处理，应用ICEM CFD 模块进行网格划分，网格数量为100 000 个，并对搅拌桨叶及搅拌区域进行了加密处理，如图1 所示。

图1 浇注搅拌机的几何模型及网格划分

为进一步考察搅拌机内部搅拌对物料搅拌效果的影响，本文选用了三种不同的搅拌桨和导流筒形式进行模拟，搅拌桨和导流筒几何模型如图2 所示。

图2 浇注搅拌机内部桨型对比

1.2 数值解法及边界条件

使用软件FLUENT 来求解离散方程，用k-ε模型计算湍流性能，用Eulerian 模型对搅拌机内的气-液体系进行数值模拟，采用标准壁面函数法处理近壁区域，使用滑移网格法来处理桨叶的旋转区域。离散格式采用二阶迎风格式，所有变量的收敛标准设置为残差小于10-3。边界类型设置为壁面边界（wall），搅拌机内壁定义为静止壁面边界条件，自由液面定义为对称边界条件。模拟选用物料为水和空气，物性参数为Fluent 默认值，搅拌转速为生产实际中的常规转速为690 r/min。

2 结果与讨论

2.1 考察不同时刻三种桨型搅拌效果

考察3 种不同桨型在5 s 时刻的搅拌效果，得到浇注搅拌机内部压力、速度、浓度分布分别如图3～图5 所示。由图3 可以看出，搅拌机压力分布较大区域为搅拌区域，桨1与桨2 压力分布明显小于桨3。

由图4 可知，搅拌机内速度较大区域集中在搅拌桨叶及导流筒附近，其中桨3 搅拌机的高速区域明显高于桨1 和桨2 对应的搅拌机。

随着搅拌的进行，搅拌机内部会形成上下对称的四组漩涡。其中搅拌桨3 内部形成的漩涡斜度更明显，适于搅拌机内部迅速混合，但此种流动可控性相对较差。

图3 不同搅拌桨搅拌机内部压力分布云图（单位：Pa）

图4 不同搅拌桨搅拌机内部速度分布云图及速度矢量图（单位：m/s）

图5 不同搅拌桨搅拌机内部组分浓度分布云图（单位：%）

图5 中，搅拌桨1 与搅拌桨2 对应搅拌机内气液两相在壁面附近有混合，搅拌桨3 对应搅拌机在搅拌桨轴心位置形成涡流，气液两相混合明显。

2.2 考察三种桨型对应的均混时间

混合时间是研究搅拌反应器的重要参数之一，数值模拟的具体处理方法是确定示踪剂的加入区域，选择柱体为加料区A，柱体半径为0.2 m，然后把示踪剂在加料区内的初始浓度设为1，其他区域的初始浓度设为0。在获得稳定的流场以后再加入示踪剂，并假定示踪剂的加入速度与所在区域内流场的速度相同，以便消除示踪剂的加入对局部的流动影响。示踪剂混合过程的求解是在稳态流场计算结果的基础上进行的，即先进行稳态流场的计算，将稳态计算收敛后的结果作为初始值，再用滑移网格法进行非稳态计算，此时速度、湍流参数等的输运方程被自动锁定，只需计算示踪剂浓度的输运方程，这可以加速收敛，提高求解效率，从而节省了大量的计算时间。而且研究表明，该法所得的混合时间模拟结果与同时联立求解所有方程所获得的结果相差很小，可以忽略。计算完成后即可得到示踪剂的浓度随时间的变化过程，根据95%的原则，可以计算得到混合时间，并比较监测点a1、a2、a3、a4 的结果。加料区及监测点位置如图6 所示。

图6 加料区及监测点位置

模拟得到不同桨型下各个监测点示踪剂的浓度变化情况如图7 所示。

图7 检测点上示踪剂浓度变化情况

根据模拟结果可知，对于桨1 来说，监测点4 位置示踪剂的浓度为0，说明桨1 搅拌过程中，监测点4 位置无法实现混合，其他监测点实现均匀混合，在40 s 以后。对于桨3来说，监测点4 位置示踪剂浓度一直处于波动过程，并且其他监测点实现均匀混合需要在20 s 以后。对于桨2 来说，20 s 内所有监测点示踪剂浓度变化较小，波动范围在5%以内，说明桨2 在20 s 内能实现均匀混合，桨2 的搅拌效果相对较好。

3 结论

通过对搅拌机桨型变化对应的压力场、流场、组分浓度场分布变化以及均混时间的研究表明：①搅拌桨3 对应搅拌机内部压力分布、速度分布及组分浓度分布变化趋势明显高于另外两种情况。搅拌桨3 的搅拌会造成形成流体斜向涡流，快速实现气液混合，但流动的可控性较差。②20 s 内搅拌机内所有监测点示踪剂浓度变化较小，波动范围在5%以内，搅拌桨2 的搅拌能在20 s 内实现均匀混合，搅拌桨2的搅拌效果相对较好。