基于三維數(shù)學(xué)模型的大同雙軸攪拌機(jī)流場特性分析

基于三維數(shù)學(xué)模型的大同雙軸攪拌機(jī)流場特性分析

民心雙軸攪拌系統(tǒng)攪拌裝置是一種大型綜合性設(shè)備。廣泛應(yīng)用于化工、石化、制藥、食品、冶金、紙板和污水處理等流程工業(yè)。其中許多過程往往伴隨著相態(tài)變、熱量傳遞和粘度變化。對于上述過程,采用單一中心分散槳,在攪拌高黏流體時(shí)可能會(huì)在攪拌釜近壁區(qū)域存在死區(qū);而采用單一近壁錨式槳或框式槳等,在槽中心區(qū)域可能會(huì)混合不佳;即使采用內(nèi)外雙螺帶等兼顧全槽混合的攪拌槳,在反應(yīng)初期物料黏度較低時(shí)也可能會(huì)有混合效率差的缺點(diǎn)。為此,現(xiàn)代過程工業(yè)需要一種在湍流區(qū)、過渡流區(qū)及層流區(qū)中均有優(yōu)良綜合性能的攪拌系統(tǒng),同心雙軸攪拌系統(tǒng)便是在此種情勢下應(yīng)運(yùn)而生的。同心雙軸式攪拌設(shè)備通常立式放置,根據(jù)攪拌軸位置的不同,可分為兩種,具體見圖1。第一種內(nèi)攪拌軸為頂伸入式,而外攪拌軸為底插入式,第二種內(nèi)外兩根攪拌軸都是頂伸入式的。第一種結(jié)構(gòu)形式布局簡單,但其下攪拌軸位置存在動(dòng)密封泄漏、腐蝕破壞及高黏抱死傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。而第二種形式能有效克服上述缺點(diǎn),但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,成本較高。兩者結(jié)構(gòu)形式的相同之處在于內(nèi)攪拌軸上均固定著半徑較小、高速旋轉(zhuǎn)的中心分散槳,外攪拌軸上均固定著低速旋轉(zhuǎn)的錨式槳、螺帶槳或框式槳等近壁式攪拌槳。對于復(fù)雜的混合過程,可依照流體黏度變化的情況,適當(dāng)調(diào)節(jié)兩軸轉(zhuǎn)速,甚至在某些情況下可以僅用高速槳進(jìn)行攪拌,低速槳作為擋板以滿足不同混合過程的需求。有關(guān)雙軸攪拌的研究國外起步較早,最早的文獻(xiàn)由EKATO公司的Schneider等報(bào)道,之后加拿大的Tanguy課題組圍繞一種同心雙軸攪拌系統(tǒng)展開了一系列系統(tǒng)的研究,主要集中于轉(zhuǎn)動(dòng)模式及速比等對攪拌功率、混合時(shí)間的影響方面。國內(nèi)近年也針對同心雙軸攪拌進(jìn)行了研究,并取得一些成果。本文在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上,選取由4種不同型式的攪拌槳為內(nèi)槳、框式槳為外槳構(gòu)成的第二種結(jié)構(gòu)的同心雙軸攪拌器作為模擬對象,借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件來分析它們的功耗、流場及混合特性,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,以期為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。1雙槳組合槳和雙組分液位為便于與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證,被模擬的同心雙軸攪拌系統(tǒng)其外槳恒定為框式槳。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)框式槳頂部橫梁并沒有浸沒在物料中,故外槳建模時(shí),其結(jié)構(gòu)簡化處理,演變?yōu)殄^式槳。同時(shí)為探究內(nèi)槳型式變化對攪拌釜內(nèi)流體混合情況的影響,內(nèi)槳選用雙層組合槳,它包括2種直徑系列、2種類型共4種配置,具體列于表1,并繪于圖2。模擬時(shí),攪拌釜內(nèi)徑為380mm。根據(jù)內(nèi)槳直徑的不同,確定攪拌釜內(nèi)物料的液位高度。當(dāng)內(nèi)槳直徑d=133mm時(shí),高徑比取1,即充液高度H=380mm;當(dāng)內(nèi)槳直徑d=200mm時(shí),高徑比取1.15,即充液高度H=440mm。這與實(shí)驗(yàn)測試時(shí)的物料裝填高度一致。數(shù)值模擬時(shí),工作介質(zhì)選取實(shí)驗(yàn)用的物料麥芽糖漿,它是牛頓流體的一種。模擬過程介質(zhì)物性及攪拌器操作運(yùn)行條件列于表2。表中,co表示同向運(yùn)轉(zhuǎn);counter表示反向運(yùn)轉(zhuǎn)。對整體Reynolds數(shù)Re的計(jì)算,選用謝泳等提出的計(jì)算關(guān)聯(lián)式,具體為由表2數(shù)據(jù)可以看出,各工況下Reynolds數(shù)均小于40,攪拌釜內(nèi)的流體處于層流狀態(tài)。2基于控制方程的豐富任何流體的流動(dòng)均滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律,這些定律在計(jì)算流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)體現(xiàn)就是相應(yīng)的4個(gè)基本方程。另外,混合時(shí)間模擬采用示蹤濃度法,而濃度場的模擬要運(yùn)用組分方程。故同心雙軸攪拌系統(tǒng)功率、流動(dòng)及混合特性模擬的控制方程組就由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和組分方程等組成?？紤]到高黏介質(zhì)攪拌時(shí)體系處于層流狀態(tài),故上述方程組封閉。3cfd分析過程3.1攪拌鍋爐分級在對攪拌釜的流場進(jìn)行計(jì)算時(shí),使用多重參考坐標(biāo)系方法(MRF)。待流場穩(wěn)定后,再使用滑移網(wǎng)格法(SG)計(jì)算示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化,進(jìn)而對攪拌釜內(nèi)的混合情況進(jìn)行模擬。整個(gè)攪拌釜?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)域:內(nèi)槳區(qū)域、外槳區(qū)域和剩余區(qū)域,對3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模擬所選用的攪拌槳的結(jié)構(gòu)不規(guī)則,利用全四面體網(wǎng)格填充整個(gè)流體區(qū)域。在此基礎(chǔ)上,通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢查,確定適宜的單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)量。3.2外槳區(qū)域內(nèi)的流體鑒于內(nèi)槳區(qū)域和外槳區(qū)域?qū)儆趧?dòng)區(qū)域,剩余區(qū)域?qū)儆陟o區(qū)域,所以3個(gè)區(qū)域之間通過交界面進(jìn)行動(dòng)量交換。將動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)定與攪拌槳相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),其中內(nèi)槳區(qū)域內(nèi)流體的轉(zhuǎn)速按內(nèi)槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置,外槳區(qū)域內(nèi)流體的轉(zhuǎn)速按外槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置,而剩余區(qū)域內(nèi)的流體視為靜止。將處于內(nèi)槳區(qū)域和外槳區(qū)域內(nèi)的軸和槳葉定義為動(dòng)邊界,邊界類型均為壁面邊界。另外,攪拌釜的內(nèi)壁定義為靜止壁面邊界條件,自由液面定義為對稱邊界條件。3.3條件傳遞模型在計(jì)算攪拌釜內(nèi)流場時(shí),壓力-速度耦合使用SIMPLE算法,壓力離散采用BodyForceWeighted格式,動(dòng)量離散先采用一階迎風(fēng)格式,待收斂后再使用二階迎風(fēng)格式。在求解示蹤劑濃度場時(shí),采用物質(zhì)傳遞模型(SpeciesModel),通過模擬攪拌釜內(nèi)的單相多組分宏觀混合過程,借以模擬混合時(shí)間的歷程。待流動(dòng)場達(dá)到穩(wěn)定時(shí),關(guān)閉流場方程,只求解示蹤劑質(zhì)量傳遞方程。由于示蹤劑的濃度隨時(shí)間而變化,它是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)問題,故壓力-速度耦合使用PISO算法,動(dòng)量及物質(zhì)輸運(yùn)方程的離散方法均采用二階迎風(fēng)格式。4結(jié)果與討論4.1外槳轉(zhuǎn)速對能耗的影響通過數(shù)值模擬,可以得到相應(yīng)工況下的扭矩值,再按照下面公式計(jì)算,可以得到攪拌功率需要說明的是,這里所得到的攪拌槳功耗只是槳葉部分的功率,不包含電機(jī)傳動(dòng)過程中以及內(nèi)外攪拌軸之間機(jī)械摩擦等損失的功率。分析表3~表6中數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn):(1)在相同結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行條件下,內(nèi)外槳同向轉(zhuǎn)動(dòng)比反向轉(zhuǎn)動(dòng)所需的攪拌功率要少,這與郭武輝等的研究結(jié)論一致;(2)外槳功耗受內(nèi)槳影響較為明顯。在保持外槳轉(zhuǎn)速不變的情況下,內(nèi)外槳同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),外槳功耗隨內(nèi)槳轉(zhuǎn)速增大而減小,反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),外槳的功耗則隨內(nèi)槳轉(zhuǎn)速增大而增大。這說明內(nèi)外槳同向轉(zhuǎn)動(dòng)起到了積極的作用;(3)在內(nèi)外槳整體消耗的總功率中,內(nèi)槳功耗占據(jù)了很大的比重,一般都在75%以上,說明內(nèi)槳消耗了大部分的軸功率,這是由于外槳轉(zhuǎn)速僅為20r·min-1,相對于內(nèi)槳轉(zhuǎn)速較低。所以,對同心雙軸攪拌器來說,內(nèi)槳選擇的優(yōu)劣直接關(guān)系到整體功率的消耗。表7比較了內(nèi)槳轉(zhuǎn)速400r·min-1、外槳轉(zhuǎn)速20r·min-1時(shí)單位體積物料攪拌功耗的模擬值和實(shí)驗(yàn)值。從表7可以看出,模擬值與實(shí)驗(yàn)值的偏差不大,一般均在30%以內(nèi),這一定程度上說明數(shù)值模擬所用模型的合理性和精確度。同時(shí),由于負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)介質(zhì)的潤滑使內(nèi)外攪拌軸間的摩擦功率損耗小于攪拌器空轉(zhuǎn)時(shí)的損耗,導(dǎo)致由負(fù)載扭矩扣除空轉(zhuǎn)扭矩計(jì)算得到的凈扭矩偏小。同時(shí),實(shí)驗(yàn)臺(tái)所采用的雙軸同心嵌套結(jié)構(gòu)導(dǎo)致扭矩傳感器只能安裝在各自傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出端,此處所測扭矩并非是準(zhǔn)確的流體阻力矩,進(jìn)一步導(dǎo)致了單位體積功耗的實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值之間的偏差。此外,單位體積物料攪拌功耗的較大模擬值,對攪拌器傳動(dòng)系統(tǒng)的選型有利,可避免動(dòng)力不足現(xiàn)象的出現(xiàn)。4.2攪拌社會(huì)主義模式與旋轉(zhuǎn)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)模式的比較圖3~圖6為外槳轉(zhuǎn)速20r·min-1、內(nèi)槳轉(zhuǎn)速280r·min-1時(shí)的速度矢量圖,它們直觀顯示了不同轉(zhuǎn)動(dòng)模式及內(nèi)槳類型下攪拌釜內(nèi)流場的分布。其中,兩橫截面視圖分別對應(yīng)著上層槳和下層槳所處的位置,由于上下層槳葉的層間距參數(shù)h=0.12m,故下層槳中心平面所處的位置坐標(biāo)為z=0m,上層槳中心平面所處的位置坐標(biāo)為z=0.12m。從縱剖面的速度矢量圖看,攪拌釜內(nèi)流場仍然主要受內(nèi)槳控制,不同類型的內(nèi)槳在相同轉(zhuǎn)動(dòng)模式下產(chǎn)生的流場也不盡相同。首先,相同之處表現(xiàn)為:在內(nèi)槳驅(qū)動(dòng)下,流體在攪拌釜內(nèi)形成了4個(gè)較大的漩渦,分別圍繞著各層槳葉并呈對稱分布。在上下層槳葉之間流體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生過渡,并在內(nèi)攪拌軸周圍發(fā)生流體分離,形成一個(gè)紡錘狀的區(qū)域。其次,不同之處在于:在相同槳葉直徑下,上層二斜葉槳與下層二直葉槳組合內(nèi)槳帶來的流場運(yùn)動(dòng)更劇烈;在相同組合類型下,槳葉直徑越大,攪拌釜內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)范圍相應(yīng)越大,運(yùn)動(dòng)程度越強(qiáng)烈;當(dāng)內(nèi)槳一定時(shí),在同向轉(zhuǎn)動(dòng)下攪拌釜內(nèi)的流體向下運(yùn)動(dòng)趨勢更強(qiáng)。從橫截面上的速度矢量圖看,首先在內(nèi)槳的上下層槳葉處明顯具有一個(gè)與攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的切向流,并且在反向轉(zhuǎn)動(dòng)模式下內(nèi)槳的切向流被阻斷,形成了漩渦分離,這使近壁處流體運(yùn)動(dòng)減弱,而在同向轉(zhuǎn)動(dòng)下切向流連續(xù)分布,對改善近壁處流體流動(dòng)大為有利。這與文獻(xiàn)中的研究結(jié)論及褪色實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象都比較吻合,從而解釋了內(nèi)外槳同向轉(zhuǎn)動(dòng)優(yōu)于反向轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。為進(jìn)一步比較兩種轉(zhuǎn)動(dòng)模式對攪拌釜內(nèi)流場的影響,又采用速度等值圖來觀察同一速度的分布范圍大小。從圖7可以看出,不同內(nèi)外組合槳在同向轉(zhuǎn)動(dòng)下速度為0.6m·s-1的分布范圍始終較大,說明內(nèi)外槳轉(zhuǎn)速一定時(shí),同向轉(zhuǎn)動(dòng)模式可以使槳葉的作用范圍更廣,從而帶動(dòng)攪拌釜內(nèi)更大區(qū)域的流體運(yùn)動(dòng),故混合效果也相對較好。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),外槳因轉(zhuǎn)速較低,其葉端速度尚不及0.6m·s-1。圖8是內(nèi)槳采用4種雙層組合槳時(shí)的速度曲線圖,它把槳葉端部速度沿柱坐標(biāo)系進(jìn)行矢量分解,以得到各個(gè)速度分量沿?cái)嚢韪叨确较虻姆植?其所取速度為平行于z軸的一條直線,此時(shí)r=0.11m,θ=0°。圖中,橫坐標(biāo)代表沿?cái)嚢韪叨确较虻奈恢?且下層槳中心平面所在位置處坐標(biāo)為z=0m,上層槳中心平面所在位置處坐標(biāo)為z=0.12m。從圖8可以看出,攪拌釜內(nèi)流體的各個(gè)速度分量反向轉(zhuǎn)動(dòng)下均較大。對每個(gè)分量來說,軸向速度的最大值出現(xiàn)在靠近上層槳下部處(在橫坐標(biāo)上為z=0.09m左右),這與上部采用軸流槳有關(guān),同時(shí)在靠近下層槳的下部附近,也出現(xiàn)一個(gè)軸向速度分量的極大值(在橫坐標(biāo)上為z=-0.02m左右);徑向速度的最大值出現(xiàn)于下層槳的中心平面處,在上層槳的中心平面處出現(xiàn)另外一個(gè)極大值。對4種不同類型的雙層組合槳而言,切向速度的最大值與極大值出現(xiàn)的位置與徑向速度基本相同。綜上分析,組合槳的上下層槳葉之間也會(huì)互相作用,軸向速度最大值由上部軸流槳尖端下移即說明這一點(diǎn)。4.3加料點(diǎn)分布為方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對,模擬時(shí)示蹤劑(KCl)加料點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)一致,無論同向還是反向轉(zhuǎn)動(dòng),加料點(diǎn)均位于離自由液面上方10mm處。監(jiān)測點(diǎn)的選擇按對稱選取,具體位置分布如表8所示。4.3.1攪拌鍋爐內(nèi)充放電狀態(tài)圖9是內(nèi)槳為組合槳Ⅰ時(shí)示蹤劑濃度在不同轉(zhuǎn)動(dòng)模式下隨時(shí)間變化的云圖。從圖中可以看出示蹤劑在攪拌釜內(nèi)的擴(kuò)散過程,同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)示蹤劑擴(kuò)散速度較快,沿內(nèi)攪拌軸快速下移,t=21s與t=36s時(shí)刻的濃度相差不大。而反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)示蹤劑擴(kuò)散速度相對較慢,t=33s與t=36s時(shí)刻的濃度接近一致,根據(jù)95%原則,此時(shí)即可視為混合完全。從圖10中可以發(fā)現(xiàn),示蹤劑在不同監(jiān)測點(diǎn)處的濃度響應(yīng)曲線不盡相同,但在軸對稱的2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的濃度響應(yīng)曲線基本一致,說明監(jiān)測點(diǎn)及加料點(diǎn)位置對混合時(shí)間的模擬結(jié)果具有一定的影響。離加料點(diǎn)位置較近的監(jiān)測點(diǎn)處的濃度響應(yīng)曲線可以較快地趨于穩(wěn)定,且穩(wěn)定時(shí)達(dá)到的濃度也相對較高;而離加料點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)P1,由于它位于攪拌釜底部外槳的下沿,濃度達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間最長。一般來講,混合時(shí)間由離加料點(diǎn)最遠(yuǎn)的監(jiān)測點(diǎn)的濃度響應(yīng)曲線決定,當(dāng)該監(jiān)測點(diǎn)處的濃度曲線趨于平緩而不再變化時(shí),此時(shí)所需的時(shí)間即為攪拌釜的宏觀混合時(shí)間。以此為基準(zhǔn),得到對各槳模擬計(jì)算所得的混合時(shí)間,如表9所示。從表9可以看出,各種槳型組合及運(yùn)行條件下,同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所用的混合時(shí)間均較反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)少。這也進(jìn)一步說明內(nèi)外槳同向轉(zhuǎn)動(dòng)模式更有利于攪拌釜內(nèi)物料的混合。同時(shí)表9表明,隨著內(nèi)槳轉(zhuǎn)速增加,混合時(shí)間減少,但下降幅度越來越小,因此,必須兼顧功耗與混合快慢來確定適宜的轉(zhuǎn)速。4.3.2熱攪拌鍋爐內(nèi)槳性能評價(jià)指標(biāo)為了綜合評價(jià)同心雙軸攪拌器的總體性能,不僅需要考慮混合時(shí)間的長短,還需要兼顧功耗的大小,而單位體積混合能Wv就是一個(gè)既考慮了攪拌所需混合時(shí)間又考慮了攪拌功率消耗的綜合性能評價(jià)指標(biāo)。它是攪拌釜內(nèi)單位體積物料的攪拌功率與混合時(shí)間的乘積。一般,Wv數(shù)值越小,則說明混合效率越高。這里采用它作為評價(jià)指標(biāo)對同心雙軸攪拌器在不同內(nèi)槳型式下的綜合性能進(jìn)行考察,如圖11所示。從圖11可以看出,4種不同型式的內(nèi)槳在相同的Reynolds數(shù)下同向轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的單位體積混合能均較少。而且,在較低Reynolds數(shù)下,與采用上層六斜葉開啟渦輪槳+下層六直葉開啟渦輪槳的雙層槳組合形式相比,采用上層二斜葉槳+下層二直葉槳的雙層槳組合形式的混合效率更高,而較高Reynolds數(shù)時(shí),剛好相反。5仿真結(jié)果分析內(nèi)槳轉(zhuǎn)速和外部槳干在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,根據(jù)攪拌釜內(nèi)層流流動(dòng)和傳質(zhì)過程的特點(diǎn),建立了考慮二者相互影響的綜合數(shù)學(xué)模型,針對目前國內(nèi)研究較少的同心雙軸攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了攪拌器不同組合型式、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)模式對系統(tǒng)功耗、流場及其混合特性的影響。(1)同心雙軸攪拌系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基本一致,內(nèi)外槳同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的功耗、流場特性和混合特性均較反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)優(yōu)越。(2)外槳功耗受內(nèi)槳影響較大。一般隨內(nèi)槳轉(zhuǎn)速的增大,恒速外槳的功耗同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)減小、反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)增大。(3)無論是二葉槳還是六葉槳的組合內(nèi)攪拌器,當(dāng)內(nèi)槳直徑與釜體直徑之比為0.35左右時(shí),相同Reynolds數(shù)下的單位體積混合能更小,攪拌器綜合性能更優(yōu)異。(4)中高黏體系中,同心雙軸攪拌器的內(nèi)槳采用上層六斜葉槳+下層六