雙層槳葉位置對攪拌機流場和濃度的影響

雙層槳葉位置對攪拌機流場和濃度的影響

0葉中葉片的角度和寬度攪拌操作是工業(yè)反應(yīng)過程的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、食品、制藥、發(fā)酵等領(lǐng)域。國內(nèi)外對該病的研究正在逐步深入。美國萊寧公司利用實驗和cfd方法開發(fā)了一系列新的軸向流葉片，如3a10和a315。葉片的傾斜角度和寬度隨其方向的變化而變化。ranad等人使用ptd方法研究了傳統(tǒng)的直葉片和傾斜四葉形葉片。norman等人對傳統(tǒng)的單帶發(fā)動機攪拌槽中的混合過程進行了實驗研究和數(shù)值模擬。其示蹤器響應(yīng)曲線與實驗結(jié)果一致，但細節(jié)有很大不同。ranad還計算了單根發(fā)動機的三維濃度場分布。國內(nèi)科學(xué)家還在各種不同的發(fā)動機類型、多層發(fā)動機和內(nèi)部和外部聯(lián)合發(fā)動機中應(yīng)用了cfd技術(shù)。目前，國內(nèi)外對多葉多功能葉片、層間距和混合時間的研究較少。因此,筆者采用數(shù)值模擬CFD技術(shù)以及實驗測量的方法研究了雙層槳葉不同位置安裝的攪拌性能,攪拌器的深入研究和新型攪拌器的設(shè)計開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義.1器設(shè)計當攪拌槽的長徑比較大時往往采用雙層槳葉.這時,槳葉之間的層間距對流型、攪拌功率和混合速度均有影響.攪拌器基本尺寸如表1所示.槳葉高度是槳葉的水平中心線離攪拌槽底部的高度.按槳葉高度分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4種類型,其槳葉高度位置如表2所示.2介質(zhì)平均分辨率的測量試驗用攪拌器結(jié)構(gòu)采用表2中II型結(jié)構(gòu),實驗裝置采用有機玻璃制造,槽內(nèi)充以清水作為工作介質(zhì),為補償介質(zhì)的折射率,減少測量精度的偏差,將攪拌槽放置于380mm×380mm×450mm的方形玻璃水槽內(nèi).實驗中轉(zhuǎn)速分別為80,120,160,200r/min.采用丹麥Dantec公司的PIV進行實驗測量,實驗裝置如圖1所示.3cfd技術(shù)用于玻璃碗的制備3.1數(shù)學(xué)模型(1)質(zhì)量常數(shù)守固定方程式中:ρ為流體密度;ui為速度分量.(2)fi2式??t(ρui)+??xj(ρuiuj)=??p?xi+?τij?xj+ρgi+Fi(2)??t(ρui)+??xj(ρuiuj)=-?p?xi+?τij?xj+ρgi+Fi(2)式中:p為靜壓;τij為應(yīng)力,τij=[μ(?ui?xj+?uj?xi)]?23μ?ul?xlδijτij=[μ(?ui?xj+?uj?xi)]-23μ?ul?xlδij;ρgi為重力體積力;Fi為源項(可以包括其它模型源項或者用戶自定義源項),對于湍流模型,Fi=??xj(?ρu′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉ)Fi=??xj(-ρu′iu′jˉ),其中,-ρu′iu′j是雷諾應(yīng)力,表示湍流的影響,雷諾應(yīng)力采用Boussinesq假設(shè).另外,對于湍流場,采用標準k-ε湍流模型以及對流擴散的混合模型.3.2攪拌槳區(qū)和槳外區(qū)域采用多重參考系法,將攪拌器分為兩個部分:攪拌槳區(qū)和槳外區(qū)域.攪拌槳區(qū)采用旋轉(zhuǎn)坐標系,槳外區(qū)域采用靜止坐標系.采用非結(jié)構(gòu)化四面體混合型網(wǎng)格劃分.攪拌器三維幾何模型以及網(wǎng)格劃分如圖2所示.3.3加料點位置的影響將計算域分為兩個區(qū)域,內(nèi)部動區(qū)域包括旋轉(zhuǎn)的槳葉,將動區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)為與攪拌槳相同轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn),外部靜區(qū)域包括槽壁,將靜區(qū)域內(nèi)的流體視為靜止.將軸和槳定義為動邊界,將槽壁定義為靜止壁面邊界條件.計算時所選介質(zhì)為水,加料所選材料為示蹤劑,槳葉旋轉(zhuǎn)速度為80,120,160,200r/min.考察不同監(jiān)測點和加料點位置對混合時間的影響,取3個加料點,分別為表面加料(F1)、上層槳葉尖端加料(F2)和下層槳葉尖端加料(F3),3個監(jiān)測點分別位于表面(P1)、槽中間(P2)及槽底部(P3),具體分布如圖3所示.3.4式分離方法應(yīng)用FLUENT軟件,流場的計算采用穩(wěn)態(tài)的隱式分離方法;流場穩(wěn)定后選擇非穩(wěn)態(tài)的隱式分離方法模擬宏觀混合過程.壓力-速度的耦合求解采用PISO算法,對流項的離散使用二階迎風差分格式.4結(jié)果與分析4.1雙循環(huán)流型的模擬結(jié)果圖4所示為在不同攪拌轉(zhuǎn)速下實驗和數(shù)值模擬得到的流場分布圖(取一半流場),每幅圖中左為數(shù)值模擬結(jié)果,右為實驗結(jié)果.從圖4可以看出,在不同轉(zhuǎn)速下,攪拌槽內(nèi)均形成了以葉輪為界的上下雙循環(huán)流動形式,總體上,PIV實驗測量和數(shù)值模擬得到的速度矢量圖基本一致,驗證了數(shù)值模擬的正確性.同時還可以看到,無論轉(zhuǎn)速怎么變化,雙層平直葉槳的徑向流型沒有改變,槳葉區(qū)流體在葉片的旋轉(zhuǎn)作用下形成高速徑向射流,流向器壁,撞擊到器壁后一分為二,一部分沿槽壁向上流動,一部分向下流動,在葉片的抽吸作用下,流體發(fā)生轉(zhuǎn)向又流回槳葉區(qū),形成典型的雙循環(huán)流動形式,并且,隨著轉(zhuǎn)速增大,旋渦的范圍和強度均增大.4.24槳葉位置對功率準數(shù)、單位體積功率的影響表3所示為不同槳葉高度下攪拌器功率的數(shù)值模擬結(jié)果.從表3可見,攪拌槳葉位置發(fā)生改變,攪拌功率、功率準數(shù)、單位體積功率變化程度不大,說明槳葉位置一定程度的變化不會對攪拌功率、功率準數(shù)、單位體積功率產(chǎn)生很大的影響.4.34槳葉的流場分布圖5所示為4種槳葉位置情況下由數(shù)值模擬得到的流場分布圖.由圖5可以看出,在槳葉直徑、轉(zhuǎn)速一樣的情況下,盡管雙層平直槳葉的槳葉位置發(fā)生了變化,但各種情況的流場分布圖并沒有發(fā)生多大的變化,都是以槳葉為中心形成上下雙循環(huán)流動,在槳葉尖端上下各形成兩個漩渦.隨著兩層槳間距離的減小,相鄰兩層槳葉的液流速度相近,導(dǎo)致混合效果不太好,因此在加入示蹤粒子時攪拌時間相對較長.4.4不同加料方式下混合時間分布圖6～9所示為4種不同槳葉高度位置下在3個不同加料位置(F1、F2、F3)、不同監(jiān)測點(P1、P2、P3)的示蹤劑濃度Kd與混合時間圖.從圖中可以看出,不同監(jiān)測點的示蹤劑濃度響應(yīng)曲線和混合時間差別很明顯.從圖6,7可以看出,在加料位置F1和F2處,P1位置處的濃度波動最大,而P2和P3處的濃度波動較小,這主要是由于P1和F1處于同一高度,而且平直葉槳流動場內(nèi)切向速度分量較小造成的.在液面和槽底位置處監(jiān)測點的混合時間要比在槽中間位置處監(jiān)測點的混合時間要長.在加料位置F3處,情況發(fā)生很大變化,對于I型,P2的波動較大,P1和P3波動較小.對于II型,P3波動較大,P1和P2波動較小,相同的加料位置和監(jiān)測點,由于槳間距發(fā)生變化,濃度相應(yīng)曲線圖也發(fā)生很大的變化,可見,槽中間位置處監(jiān)測點的混合時間短于液面和槽底處監(jiān)測點的混合時間.從圖8,9可以看出,對于頂端加料和底層加料濃度響應(yīng)曲線,盡管有差別,但總體趨勢還是非常一致的.對于Ⅲ型的F2加料,由濃度響應(yīng)曲線可知該槳葉位置處選擇F2為加料點,可以充分利用流體的湍流特性,加快混合速度,縮短混合時間,節(jié)約成本,提高經(jīng)濟效益.5槳葉區(qū)域的影響(1)對改變攪拌器雙層槳葉位置的混合過程進行數(shù)值模擬并加以實驗測量,考察了雙層槳葉不同位置對混合效果的影響.改變雙層槳葉位置,流場的流型基本不