搅拌式反应釜内部流体速度场研究

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对反应釜实际生产中内部的流场进行数值模拟，数值模拟的原理为计算流体力学（CFD）。观测流场的速度分布并分析原因，两相流模型采用Euler-Euler模型和MRF多重参考坐标系理论。并可以得出最终结论：流场速度较大的区域多集中在搅拌桨所在的区域中，在反应釜壁面和搅拌器的共同作用下，产生径向流，形成尺寸不同的涡流循环，并同时存在速度死区。

反应釜CFDEuler-EulerMRF

引言

在化工工业生产中，反应釜[1-3]是使用最普遍的一种设备，被广泛的应用于医药，石油，化工，食品等生产领域。目前，对于搅拌反应釜的研究方法主要有两种：试验法和数值模拟法。本次论文采用Euler-Euler多相流模型[4]，采用多重参考坐标系[5-6]的方法，针对给定的搅拌式反应釜，模拟内部流体搅拌生产中的速度分布，分析反应器搅拌混合特性，为实际生产和设备优化提供理论参考。

1气液两相流理论模型

本文主要对反应釜进行气液两相搅拌时的生产工况进行模拟仿真，液相为水溶液，气相为氧气，转速为300r/min，温度为110℃，压力为0.8MPa。

涉及到的理论模型有Euler-Euler多相流模型和Realizablek-ε模型。汽液两相流理论方程组在Euler-Euler型模型基本操纵方程的形式：

连续性方程：

式中，为作用于气液两相的压力，μeff为有效粘度，Flg为相间动量传递项。综合实际生产状况，应Euler-Euler模型的特点选用欧拉模型。

2反应釜建模与网格划分

2.1三维建模

通过UG三维制图软件对反应釜进行三维建模如图1所示。根据反应釜结构简图将反应釜结构进行简化。上层桨为六斜叶轴流式搅拌桨，下层桨为闭式圆盘涡轮径流式搅拌桨。

2.2网格划分

网格划分软件为GAMBIT前处理软件，为保证计算精度和合理的模拟计算量，对反应釜内部流场进行区域划分。划分原则为优先使用六面体网格，对于不规矩区域采用周围体网格划分。六面体网格计算质量较高，收敛快，降低分析计算成本。而周围体网格适应性强，可以较好填充不规矩区域。如图3所示为反应釜网格划分截面图，最终生成网格总数为325665个。

3仿真计算结果及分析

图3为反应釜内速度矢量图，由矢量图可以直观的看出流场运动状况。依照搅拌桨分布来看每层搅拌桨与反应釜内壁和相邻搅拌桨之间相互作用在反应釜内形成2个子循环区并且构成整个反应釜的循环流场。

上层六斜叶搅拌器带动水流主要作轴向滚动，一部分水流发生径向滚动，与反应釜壁发生碰撞后，水流发生变化，水流分成两部分，水流一部分沿壁面向下滚动，另一部分继续沿壁面向上滚动。在两层搅拌桨的作用下，反应釜内水流形成循环体。由上至下，上层桨与反应釜壁形成一个顺时针的滚动循环。下层桨与反应釜壁形成一个小的顺时针漩涡滚动循环。

结语

运用FLUENT软件，Euler-Euler模型和MRF方法对反应釜内搅拌流场进行数值模拟，观测并分析总结了反应釜内部流场的速度分布规律和形成原因，得出结论与生产实际基本吻合，对设备工艺生产技术改进具有参考价值。当搅拌反应釜运行工作时，搅拌桨区域速度较大，液体页面中央有漩涡