搅拌器fluent实例分析

1、搅拌器数值模拟1引言搅拌混合足种常规的单元操作，只有广泛的应用背最，搅拌可以使物料混 合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒了（如催化剂）在液相中均匀地悬 浮、使不相溶的另液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传质、传热。 作为丁业生产中T艺过程的部分，搅拌效果直接影响到Jt它后续生产过程。在利用趙临界流体对废I 口橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应川四叶涡 轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡股的渗透作用o本文即对搅拌器在反应釜中产生的 流场进行数值计算，分析搅拌流场特性，通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度 矢最分布。2搅拌器流场数值模拟2.1四叶涡轮搅拌器solidworks建模四叶涡轮搅

2、拌器桨叶直径£> = 106 mm，叶片宽“ =20叭，厚八2 nun ,轮毂 直径20mm。三维模型建好后，保存为jiaobanqi.IGS文件。图1四叶涡轮攬拌器2.2四叶涡轮搅拌器Gambit建模（1）将生成的jiaobanqi.IGS文件导入Gambit中，得到volume 1。（2）建立搅拌槽模型心文采用平底圆柱形槽体，内径7 = 2.0 mm ,槽内液位高度H =7 :搅拌器安装在轴径的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度C = 7/3。1) 建立圆柱体模型，此模型作为搅拌器的动区域，圆柱体尺寸高为60mm, 半60mm.之后需对圆柱体进行平移，由于圆柱体的基准面都是建立

3、在坐标原 点所处的面上，本模型需使圆柱体沿着Z轴平移，设定Z轴的平移帚为20,得 到 volumc2o2) 以同样的方法分别建立高为40mm,半径为8mm,高为210mm,半径为 105mm,高为110mm,半径为8mm的3个圆柱体，分别为volumc3, vohimc4, volumc5, Jt中volumc3无需平移,volumc4沿Z轴平移60, volumc5沿Z轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。图3搅拌槽模型(3)布尔运算本次模拟采用多重参考系模型(Muki-Rcfcrcncc Frame, MRF )。即在计算时, 将计算域分成两大部分：部分包含运动的叶片，即转子区，另部

4、分包含静止 的和体，称为定了区；两个区域的计算分别采用两个参考坐标系来进行，叶片所 在区域（转子区）采用以叶片速度旋转的参考系，另部分区域（定了区）便用 静止参考系，具体设置见图4,参考系边界可以直接进行数据交换。a:转子区（采用旋转坐标系） b:定子区（采用静止坐标系） Es:两部分的界面图4 多重多考系模型示意图因此在建立Gambit模型时进行布尔减操作，即将搅拌槽的整体分为转子区 和定了区两部分，同吋在转子区去除搅拌器。首先搅拌槽整体区域与转子区相减, 需保留转了区。以同样的方法完成搅拌槽整体区域与搅拌轴上部相减，转了区与 搅徉器柑减，转子区与搅拌轴下部相减。<4）网格划分目前，在

5、复杂区域内生成网格的方法总的来说可以分为两大类：结构化网格 和侔结构化网格。半计算区域的几何结构形状比较规则时，可以实现应用结构化 网格进行划分区域，在结构化网格中，每节点及控制容积的几何信息必须加以 存储，但该节点与英相邻点关系则町依据网格编号规律自动得出，因而不必存储 这类信息，这是结构化网格的一大优点。为计算区域比较复杂时，即使应用专门的网格生成技术也难以处理所求解的 不规则区域，这时釆用非结构化网格进行区域划分。在非结构化网格中，由于 个节点与其邻点的关系不是固定不变的，因此这种联结信息必须对每个节点都 显式地确定下来并加以存储。非结构化网格的这特点对于网格的自动生成、自 适应处理及平

6、行计算的实施带来不少方便，因此这种网格被普遍使用。本次模拟采用结构化网格，即六面体网格，此种网格计算过程较容易，便于 控制。首先对搅拌槽体即定子区进行网格划分，网格间距为2。对于转子区网格 的划分，由于需近搅拌轴，搅拌速度较快，因此转了区网格需较定了区的网格密, 因此网格间距改为1,英他条件与定了区网格划分的条件相同。报后如图5所示为完成网格划分的搅拌槽。图5搅拌槽网格图（5）设定边界条件1）搅拌器和搅拌轴都设为壁面WALLo即搅拌器Name设为jbq-w, Type 选择WALL：搅拌轴分为上下两个区域，暮近搅拌器的区域的搅拌轴Name设为 shaft-down, Type同样选择WALL；

7、另区域的搅拌轴Name设为shaft-up, Type 同样选择WALL。2）按拌槽底部和侧面都设为WALL, Name为jbcw；搅拌杷I顶部为自由液 面'因此 Type 选择 SYMMETRY, Name 为 jbctop。3）搅拌槽中定子区和转子区的交接面为转了区的外表面，此表面处为两层 面重合，因此选用 Type 为 NTERFACE, Name 分别为 in-b in-2, in-3, out-1, out-2, out-3,分别代表转了区外侧，转了区上表面，转了区下表面，定子区与 转子区交界面的侧面，定了区与转子区交界面的上表面，定子区与转子区交界面 的下表面。（7）定义实

8、体区域如上文所述搅拌槽整体区域分为转子区和定了区，因此需对It进行设置。将 静区域Name主为jing,动区域Name定为dong, Type都选为FLUID。（8）保存Mesh文件，将网格输出为为jbq.mshc2. 3 Fluent求解计算以三维单精度（3d ）方式成动Fluent,将在Gambit中建好的物理模型及网格 导入Fluent求解器中，进行数值求解。具体求解步骤如下：（1）网格操作1）导入jbq.msh文件；在将网格导入Fluent后,必须对网格进行检查，检 査最小网格体积是否小于0,以便确定定否可克接用于CFD求解。选择Grid- Cheek 命令，Fluent会自动完成网格

9、检査，同时报告计算域、体、面、节点的 统计信息。若发现有错误存在，Fluent会给出相关提示。2）设置计算区域的尺寸和单位制。Fluent默认的长度单位为g改为Gambit 默认的单位mm；同时盂把角速度angluar velocity的单位设置为rpm.3）依次点击 Grid-*Swmooth/Swap Grid,分别点击 Smooth, Swap 循环，直 至Swap信息中出现Number feces swaps: 0为止；这步操作是对网格光顺以及对 等角倾斜度（skewness）高的地方交换网格以便于后面的运算。（2）模型设置1）求解器的选择。因为后面所用的MRF为稳态处理法，假设流动是

10、稳定 的，转了一定子的作用效果是近似的平均，这种模型可用于转子定子之间的只有 微弱的柑互作用，或只需要求系统的近似解的场介，因此选取默认的3维稳态求 解器即可。2）选择湍流模型。选则k-epsilon2eqn, kc模型是最简单的完整湍流模型, 是两个方程的模型，要解两个变最，速度和长度尺度。在Fluent中，标准kc模 型自从被Launder and Spalding IIIZ后，就变成T程流场计算中上要的TMT- 适用范围广、经济、精度合理，所以它在工业流场和热交换模拟中广泛应用。k-e 是个半经验的公式,是从实验现彖中总结出来的，主要是基于湍流动能和扩散率。 k方程是个榊确方程，c方程是

11、个由经验公式导出的方程。k-c模樂假定流场完 全是湍流，分了间的粘性可以忽略。标准kc模型只对完全是湍流的流场有效。3）设置物料特性。为简化模拟过程，本文中选用水为搅拌介质。4）操作条件的设置。由于本计算的问题需要计及重力影响，故设定Z方 向上的逍力加速度分駅值为9.81訂o（3）设置边界条件。由于应用MRF方法进行模拟，所以将转子区内的流 体设定与搅拌桨相同转速进行旋转，而定了区内的流体则是静止的。槽内舉面定 义为静止壁面条件，搅拌轴及桨叶设为运动碇面，模型的自由液面处采用自由边 界条件。这里需对搅拌器、搅拌轴、定子区和转子区分别进行设置。本文搅拌器转速 为N - 30<） rpm ,

12、故需在"> 300 rpm时模拟计算。1）搅拌槽区域内的流体设置为水，因此在选择过程中都选择水为介质。2）定义搅拌器、搅拌轴、定子区、转子区的边界条件吋，由于搅拌过程中 都随搅拌器旋转，因此选择Momentum下选择Wall Motion中的Moving Wall, 而转了区中的搅拌器和搅拌轴运动条件的设置则是选择Motion下方的相对速度 Relative to Adjacent Cell Zone 和转动 Rotational,保持 Speed 为 0,即定义四叶涡 轮搅拌器叶轮及转了区的搅样轴与邻近的区城起以300rpm的转速同步转动。 定了区的搅拌轴选择的运动条件是绝对

13、速度Absolute和转动Rotational, Speed 为 300rpm。3）在定义转子区时需选择Motion中Motion Type为Moving Reference Frame,即成用 MRF 模型，在 Rotational Velocity 的 Speed 里输入 300,即转了 区内流体为水，且以300rpm的转速在旋转。在定义定了区时流动形式则选择 Stationary o4）除定义以I.边界Z外，还要定义交界面。点击Define-*Grid Interfaces, 选择转动转了区与静止定了区相交面（即在Gambit里定义的Inter伦cc边界），设 置 3 组即可,分别为 i

14、nl-outl-*zl, in 2-out2z2, in 3-out3*z3,这个设置是为 了使两个区域的数据能进行数据交换。（4）求解1）设置求解参数，本文基于稳态隐式分离求解算法，动危方程按阶迎风 格式进行离散求解，压力速度耦合项采用SIMPLE算法。2）对流场初始化，选择从所有区域开始计算（Compute From all zones）。由 于在稳态条件下求解流动场，因此设定初始条件为0 .3）设定收敛残差。将各变最的收敛残差设为io-S并勾选plot选项打开绘 制参数随迭代次数变化的监视窗口。4）完成11述步骤的设置后，对文件进行保存，保存文件为jbq.cas。5）开始求無。设定迭代步

15、数为1000,进行迭代计算，百至收敛。6）设置观测面。本次模拟观测搅拌轴所在的YZ面、搅拌器所在的XY面 上的搅拌速度云图和速度矢帚:图，设置X-Coordinatc25及Z为观测面。7）最后结果如图所示。3数值模拟结果分析四叶涡轮搅拌桨属于比较简单的开启式涡轮搅拌器，排出性能较高，有利于 液牡的快速循环流动，而剪切性能高能使流体间的速度梯度大，这都是搅拌过程 所需要的。本文以搅拌槽的轴向纵截向为研究对彖，在“= 300 rpm吋模拟计算，得到四叶涡轮搅拌器速度云图和速度矢最分布图。Cottun of Vctal>* U »UHUMTO(M ptm u)图6速度云图 4641

16、4<l 48从流场的模拟结果（图6,以X-Coordinatc25为观测面）可以看出，搅拌器 叶片射流处流体速度最高，随着流动远离叶片，速度逐渐降低，叶片喷射出的流 体进入周的大最低速运动的流体中，卷吸周帀流体，并沿轴向和径向扩散。戏中代表高速的为高亮度区域。离亮度区域的面枳越大，速度云图的分布范 围越广，即说明搅动范用越大，搅拌效果就越好。从对四叶涡轮搅拌器的云图可 以看出，搅拌器叶片附近高亮区域集中，证明搅拌器周围流畅搅拌效果最好。对定了区域部分搅拌效果的模拟不是特别理想，而且转了区和定了区之间交 界向明显，分析原因町能是本次模拟过程中网格划分不够连续，网格质帚不够高 导致。之后的研

17、究可以进一步针对网格划分进行。 WJCtHTXi)Ccetoun of 31W«i4n U MULUEKTe J(X! ptmw图7轴向速度云图图7为搅拌器的轴向速度云图（以X-Coordinate25为观测面），从图中可以 看出搅拌器下部筋近搅拌轴的区域，以及搅拌杷壁面附近流体的速度较高，这是 由于叶轮推动液体时，流体先沿径向运动，碰到搅拌槽避免后会分别向上向下流 动，即沿轴向流动，从而导致搅拌槽附近的轴向速度较大，而向下流动的流体接 触到搅拌槽底部时会反转卷吸到搅拌器的下部，从而造成搅拌器下部轴向速度的 高亮区。B併.fy me4PUt"Cortouft o< R

18、adial Wtoefy(*)W 1> 2012FlUtHTOfM Ptm rw4n图X能向速度云图EEisEEEIjIf从搅拌器的径向速度云图（图8,以Z为观测向）中町以看出，在搅拌器的 转动下叶轮的顶部及叶片所夹区域的径向流速较大，这说明在搅拌器的转动下, 搅徉器周围及两叶片间的物料混合效果较好。从速度矢量分布（图9,以X-Coordinate25为观测面）可以看出，四叶涡轮 搅玮器呈现出对称的双涡环流场结构，隔离区中心分别位于搅样器的I：下方，符 合绘向流搅拌器特:征。流体在叶轮出【】处产生强烈的径向运动，在槽的底部和上 部各产生一个循环区。在叶轮区，即叶轮边界所确定的区域，叶轮旋转直接推动液体，形成主流， 液流貝有射流特征，卷吸周闊流体，周