三维搅拌器数值模拟上课讲义

1、三维搅拌器数值模拟精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除搅拌器数值模拟1引言搅拌混合是一种常规的单元操作，具有广泛的应用背景，搅拌可以使物料 混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传 质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分，搅拌效果直接影响到其它后续 生产过程。在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应用四叶 涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。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 的速度矢量分布。2搅拌器流场

2、数值模拟2.1四叶涡轮搅拌器solidworks建模四叶涡轮搅拌器桨叶直径 D 106mm，叶片宽a 20mm，厚b 2mm，轮 毂直径20mm。三维模型建好后，保存为jiaobanqi.lGS文件。图1 1四叶涡轮搅拌器2.2四叶涡轮搅拌器Gambit建模（1）将生成的jiaobanqi.lGS文件导入Gambit中，得到volume1。（2）建立搅拌槽模型精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除本文采用平底圆柱形槽体，内径T 210mm，槽内液位高度H T;搅拌器安装在轴径 d 16mm 的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度C T 3。1LI1IIr i11）oF1YTA图2搅拌槽尺寸1）

3、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，半径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 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轴的平移量为-20,得到volume2。2）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volume3，volume4，volume5，其中volume3无需平移，volume4沿Z轴平移-60，volume5图3搅拌槽模型精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除（3）布尔运算本次模拟采用多重参考系模型（Multi-R

4、efere nee Frame, MRF ）。即在计算 时，将计算域分成两大部分：一部分包含运动的叶片，即转子区，另一部分包 含静止的槽体，称为定子区；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，另一部分区域（定子区）使用静止参考系，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（米用旋转坐标系）b:定子区（米用静止坐标系）Es:两部分的界面图 4 4 多重参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 和定子区两部分，同时在转子区去除搅拌器。首先搅拌槽整体区域与转子区相 减，需保留转子区。

5、以同样的方法完成搅拌槽整体区域与搅拌轴上部相减，转 子区与搅拌器相减，转子区与搅拌轴下部相减。ILUW3T0犷St口砂皿昭rnljMitriZMII*7沿Z轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示snnEmft f精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除（4）网格划分目前，在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 格和非结构化网格。当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，每一节点及控制容积的几何信息必 须加以存储，但该节点与其相邻点关系则可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。当计算

6、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，这时采用非结构化网格进行区域划分。在非结构化网格中，由 于一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一个 节点都显式地确定下来并加以存储。非结构化网格的这一特点对于网格的自动 生成、自适应处理及平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，由于靠近搅拌轴，搅拌速度较快，因此转子区网格需较定子区的 网格密，因此网格间距改为1,其他条件与定子区网格划分的

7、条件相同。最后 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WALL。即搅拌器Name设为jbq-w，Type选择WALL;搅拌轴分为上下两个区域，靠近搅拌器的区域的搅拌轴Name设为shaft-down，Type同样选择WALL;另一区域的搅拌轴Name设为shaft-up, Type同样选择WALL。2）搅拌槽底部和侧面都设为WALL，Name为jbc-w;搅拌槽顶部为自由 液面，因此精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除Type选择SYMMETRY，Name为jbc-top。3）搅拌槽中定子区和转子区的交接面为转子区的外表面，此表

8、面处为两层 面重合，因此选用Type为INTERFACE，Name分别为in-1，in-2，in-3，out- 1,out-2，out-3,分别代表转子区外侧，转子区上表面，转子区下表面，定子区与转子区交界面的侧面，定子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）定义实体区域如上文所述搅拌槽整体区域分为转子区和定子区，因此需对其进行设置。将静区域Name定为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.msh。2.3 Flue nt求解计算以三维单精度（3d ）方式启动Flue nt，将在Gambit中建好的

9、物理模型及网格 导入Flue nt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Flue nt后，必须对网格进行检查，检 查最小网格体积是否小于0,以便确定是否可直接用于CFD求解。选择GridfCheck命令，Flue nt会自动完成网格检查，同时报告计算域、体、面、节点的 统计信息。若发现有错误存在，Flue nt会给出相关提示。2） 设置计算区域的尺寸和单位制。Flue nt默认的长度单位为m,改为Gambit默认的单位mm；同时需把角速度angluar velocity的单位设置为rpm。3） 依次点击GridfSwmooth/Swa

10、p Grid，分别点击Smooth，Swap循环， 直至Swap信息中出现Number faces 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，假设流动是稳定 的，转子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相互作用，或只需要求系统的近似解的场合，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，k-e模型是最简单的完整湍流模型，是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在Flue nt中，

11、标准k-e模型自从被Lau nder a nd Spaldi ng提出之后，就变成工程流场计算中主要的 工具了。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，是从实验现象中总结出来的，主要是基于湍流 动能和扩散率。k方程是个精确方程，e方程是个由经验公式导出的方程。k-e精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除模型假定流场完全是湍流，分子间的粘性可以忽略。标准k-e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 向上的重力加速度分量值为-

12、9.81m s2。（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，而定子区内的流体则是静止的。槽内壁面 定义为静止壁面条件，搅拌轴及桨叶设为运动壁面，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 300 rpm，故需在 N 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、转子区的边界条件时，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， 而转子

13、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 toAdjace nt Cell Zone和转动Rotatio nal，保持Speed为0，即定义四叶 涡轮搅拌器叶轮及转子区的搅拌轴与邻近的区城一起以300rpm的转速同步转动。定子区的搅拌轴选择的运动条件是绝对速度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 RefereneeFrame,即启用MRF模型， 在Rotational Velocity的Speed里输入300，即转子 区内流体为水，且以300

14、rpm的转速在旋转。在定义定子区时流动形式则选择Stati on ary。4） 除定义以上边界之外，还要定义交界面。点击Defi neGrid In terfaees，选择转动转子区与静止定子区相交面（即在Gambit里定义的Interfaee边界），设置3组即可，分别为in 1-out1z1，in 2-out2z2，in 3-out3z3，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，动量方程按一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

15、zon es）。 由于在稳态条件下求解流动场，因此设定初始条件为0。精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除3） 设定收敛残差。将各变量的收敛残差设为 104，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） 完成上述步骤的设置后，对文件进行保存，保存文件为jbq.caso5）开始求解。设定迭代步数为1000,进行迭代计算，直至收敛。6） 设置观测面。本次模拟观测搅拌轴所在的Y-Z面、搅拌器所在的X-Y面上的搅拌速度云图和速度矢量图，设置X-Coordinate25及Z为观测面。7）最后结果如图所示。3数值模拟结果分析精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除四叶涡轮搅拌桨

16、属于比较简单的开启式涡轮搅拌器，排出性能较高，有利 于液体的快速循环流动，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面为研究对象，在N 300 rpm 时模拟计算，得从流场的模拟结果（图6,以X-Coordinate25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 的流体进入周围大量低速运动的流体中，卷吸周围流体，并沿轴向和径向扩 散。其中代表高速的为高亮度区域。高亮度区域的面积越大，速度云图的分布 范围越广，即说明搅动范围越大，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

17、集中，证明搅拌器周围流畅搅拌效果最 好。对定子区域部分搅拌效果的模拟不是特别理想， 而且转子区和定子区之间 交界面明显，分析原因可能是本次模拟过程中网格划分不够连续，网格质量不 够高导致。之后的研究可以进一步针对网格划分进行。到四叶涡轮搅拌器速度云图和速度矢量分布图1886*00pa企C柯如怜gf Vefccllylm s)1 殛呦I心仙IOCta(Kl11M心1敏a123*001 116*00iiMe*oa7IAIBI52 aia-OH图6速度云图精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除图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

18、搅拌器下部靠近搅拌轴的区域，以及搅拌槽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 轴向速度的咼亮区。右却如労引尺曲$1七etoclly|帼射JW1112012FLUEMTflfM1 lAfrOlI350e-(M?3Crt-0n177-ail码 eII 196-01901-0?剧曲掘直衣的叩伽?t2eJ2-1-1 41OJD1-I池钊a iQI右却tou博MAJ-|#Jun 13 2012FLUENT 6

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20、;血劝4砂*13 77fl-mI”24-01I肿询1各初 月昭血 *血*事曲Wy Vecicrs- 5切詞By Veldc.y Magrglixte阿图9速度矢量图从速度矢量分布（图9，以X-Coordinate25为观测面）可以看出，四叶涡 轮搅拌器呈现出对称的双涡环流场结构，隔离区中心分别位于搅拌器的上下 方，符合径向流搅拌器特征。流体在叶轮出口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，液流具有射流特征，卷吸周围流体，周围的流体称为次流。中心速度随径 向距离的增加而衰减，三个速度分量中以切向和径向速度为主，轴向速度可以 忽略。循环流区，由于主流的卷吸作用造成液体流动，总流量可达叶轮排出流 量的几倍。径向速度很小，随着远离叶轮，愈以轴向运动为主。从图中可以看出桨叶下方靠近轴心区域流体出现反向流动，这一区域称为诱导锥形区。速度矢量图比较准确地反映了搅拌器流场的速度分布状态，对以后的实验 有一定的参考意义。J曲11 2012FLUENT 6 3 （M血乳.ke）精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除354 013 込 Q2Q1o1200te-dl2应钏1盹011 M-dl102-01FOflb-CQ1舛煙F&-03建雋8fliMT?-i.*te-on-