cfd技术在搅拌设备中的应用

cfd技术在搅拌设备中的应用

搅拌装置广泛应用于工业生产，尤其是化工行业。由于搅拌设备内存在复杂的流动现象,目前对搅拌设备的设计和放大主要依赖于工程师的经验。在美国,每年由于搅拌设备设计的不确定所造成的经济损失就达到数十亿美元。随着计算流体力学CFD(ComputationalFluidDynamics)的不断发展及其在工业中的逐步应用,上述状况在一定程度上得到改善。把CFD数值模拟技术应用到搅拌设备的设计中,较传统的经验设计方法有着极大的优越性。目前国外的专业混合设备公司在这方面做了较多工作,开发并研制出了多种新型高效的搅拌设备。国内在这方面起步较晚,与国外相比存在着很大的差距。因此推动我国CFD技术的分析研究在当前已刻不容缓。如何正确地对搅拌设备进行CFD流场分析以及如何选取适宜的相关软件也随之成为流体混合研究人员密切关注的问题。1搅拌装置的cfd分析1.1u3000湍流流动动力学方程CFD分析基于质量、动量、能量守恒的3个基本传递方程。对于不可压缩性流体,其质量和动量守恒方程分别具有如下形式:∂uj∂xj=0(1)ρ∂ui∂t+uj∂ui∂xj=−∂p∂xi+μ∂2ui∂x2j+ρfi(2)∂uj∂xj=0(1)ρ∂ui∂t+uj∂ui∂xj=-∂p∂xi+μ∂2ui∂xj2+ρfi(2)式中:i,j=1,2,3;ρ∂ui∂tρ∂ui∂t为非定常项;uj∂ui∂xjuj∂ui∂xj为对流项;∂p∂xi∂p∂xi为压力梯度;μ∂2ui∂x2jμ∂2ui∂xj2为扩散项;ρfi为体积力。式(2)即为Navier-Stokes(N-S)方程。N-S方程加上式(1)质量守恒方程共4个方程,方程中变量为3个速度分量vx、vy、vz和压力p,故该方程组封闭可解。对于湍流流动,习惯上把湍动参量表示为时均值和脉动值的叠加。此时,N-S方程称为雷诺方程,其表达形式如下所示:uj∂ui∂xj=−∂p∂xi+μ∂2ui∂x2j+ρfi−ρ(∂ui′uj′¯¯¯¯¯¯¯¯∂xj)(3)uj∂ui∂xj=-∂p∂xi+μ∂2ui∂xj2+ρfi-ρ(∂ui′uj′¯∂xj)(3)式(3)较式(2)多出了雷诺应力一项,导致方程组的不封闭,故需要添加合适的湍流模型,如κ-ε标准湍流模型,RNGκ-ε湍流模型或κ-ω湍流模型等作为补充方程。1.2非稳态优化模型搅拌设备的CFD分析与其他问题类似,必须满足上述基本守恒微分方程,但又有其自身的特点。目前工业上应用的搅拌设备大多配备挡板,以避免打漩现象的发生,也有少数设备无需安装挡板。对于无挡板的搅拌设备,通过选取适宜的旋转参考坐标系(与搅拌桨一起转动)可以把非稳态问题转换成稳态问题,从而能够方便、容易地进行CFD分析。目前大多数CFD商业软件包均可模拟这类搅拌设备的流场。但是对于带挡板的搅拌设备,问题则变得复杂起来。由于旋转的搅拌桨和静止的挡板同时存在,在一个旋转周期内搅拌桨与挡板的相对位置不断发生变化,它们之间的相互作用也不断改变。此时,要想同时模拟桨叶和挡板需要更先进的技术手段,问题已不再是简单地通过选取旋转参考坐标系就可以解决的。这正是搅拌设备CFD分析的特殊性和难点所在。1.3搅拌桨和点多环目前搅拌设备CFD分析主要有4种方法:黑箱模型法、多重参考坐标系法、内外法、滑移网格法。黑箱模型法是使用最早、应用最为广泛的一种方法。缺点在于通用性差,计算之前必须提供搅拌桨区边界上包括湍动量在内的数据。从本质上限制了CFD的进一步发展。多重参考坐标系法和内外法均是稳态的计算方法。多重参考坐标系法的计算结果只是各个子计算域的稳态近似,适用于搅拌桨与挡板之间的相互作用较弱的情况。内外法由于目前大多数商业软件还未提供相应的模块,故使用该法需要用户具备一定的编程基础。滑移网格法是20世纪90年代中期发展起来的基于流场为非稳态思想的一种方法。由于该法可以真实可靠地模拟搅拌桨和挡板之间的相互作用,故非常适用于两者相互作用显著的场合。目前大多数CFD软件包都提供了滑移网格法。利用它模拟搅拌设备内的流场,国外已积累了一定的经验,但工作主要集中在径向流搅拌桨,尤其是标准的六叶Rushton涡轮数值模拟上,详细情况参见文献。国内只是在近年内才见到相关文献报道,但桨型也只局限于标准的六叶Rushton涡轮。2cfd软件的比较与案例分析2.1两种软件的基本介绍目前市场上流通的商业CFD软件较多,主要有STAR-CD、FLUENT、CFX、PHOENICS、FLOW3D、ASTEC、FIDAP等。这些软件各有特点,各有利弊。基于作者实际了解的情况,本文把着重点放在STAR-CD和FLUENT两大软件上。表1为这两种软件的基本情况。针对搅拌设备而言,这两大软件有许多不同点。(1)网格生成的应关系STAR-CD要求内外层流体单元在滑移面上在一定允差范围内保持一一对应关系,这极大地增加了网格生成的时间和难度。FLUENT则没有如此严格的要求,当然它对于网格的生成也有其自身的限定,但较STAR-CD而言,网格生成的时间和难度已大大降低,对复杂桨型的建网也变得相对容易。(2)非稳态优化问题STAR-CD求解器性能优异,通常计算一个简单的非稳态问题,只需花费几十分钟机时。FLUENT的求解器较STAR-CD有差距,针对同一个问题,计算花费的时间相对要长。(3)操作方法FLUENT的操作界面较STAR-CD更加友好,更适合于用户通过图形用户界面对模型和计算结果进行显示、处理。2.2湍流模型及速度场为了对上述各点有一个更为清晰的阐述,我们利用FLUENT软件计算了STAR-CD用户手册教程分册中某一案例,并对两者进行了对比性分析。考虑化工工业中常见的搅拌设备的某一横截面。搅拌桨为6个随轴一起转动的直叶平桨,转速为300r/min;挡板固定在设备内壁上。搅拌桨和挡板的长度均为4cm,板厚均为3mm。工作介质为常温常压下的水。结构示意图如图1。计算采用滑移网格法,滑移面设定在搅拌桨和挡板之间的中间位置处,即半径R=10cm。STAR-CD和FLUENT构建的网格图如图2。其中,STAR-CD为四边形单元,基本单元尺寸为1cm,单元数360;FLUENT为三角形单元,基本单元尺寸也为1cm,单元数1508。此处我们选取三角形单元是为了验证FLUENT对于复杂几何模型的适用性。计算采用标准的κ-ε湍流模型。方程离散化采用有限容积法(FVM)。对流动、湍流动能、湍流耗散率采用二次迎风插值。由于搅拌转速为300r/min,转动周期为0.2s,故选取时间步长为0.001s,对应一个周期内时间步为200步,计算5个周期取时间步为1000。在计算过程中对直叶平桨一侧上的升力系数C1进行了监测,其数据如图3所示。从图3可以看出:只有当计算进行到第二个周期结束、第三个周期开始时,升力系数才呈现出周期性的特点。此处应指出,STAR-CD教程中只计算了一个循环周期内的解。为了对STAR-CD和FLUENT的解进行对比,取时间步数N=k·200+195,k为周期数。对于STAR-CD,k=0,对应于t=0.195s;对于FLUENT,k=2,对应于t=0.595s,以保证搅拌桨与挡板的相对位置相同。两者计算出的速度场矢量图分别如图4～图5所示。通过对比可知:FLUENT计算的流场与STAR-CD基本吻合,STAR-CD计算的最大速度为2.509m/s,FLUENT计算的最大速度为2.69m/s。通过进一步分析,可以看出:(1)对于此案例FLUENT的计算结果较STAR-CD更为可靠。原因在于:从图3可以看出第一个周期内的计算结果较达到周期性的结果有差异。而此处STAR-CD仅仅计算了第一个周期,流场的初始效应并未消除;FLUENT则计算了五个周期,且达到了周期性的结果。若想提高STAR-CD结果的可靠性,还应对其做进一步计算。(2)STAR-CD与FLUENT在进行搅拌设备分析时适用场合不同。正如前面指出,生成三角形/四面体单元较生成四边形/六面体单元容易得多。故对于简单构形,适合于采用四边形/六面体单元,利用STAR-CD或FLUENT进行计算;对于复杂构形,则适合于采用三角形/四面体单元,利用FLUENT进行计算。但是同时我们还应注意到:对于搅拌设备而言,内部主要为旋流。四边形/六面体单元在一定程度上与流体流动方向保持一致,从而减少了计算过程中的伪扩散,使解更易收敛;而三角形/四面体单元则无法做到这一点,其收敛性相对要差,此时可考虑采用三角形/四面体单元网格或以三角形/四面体单元为主的混合网格。(3)FLUENT计算机时较STAR-CD要长。计算此案例一个周期内的流动状况,STAR-CD只需一两分钟;而FLUENT需花费十分钟。对于三维情况这种差异更为明显。但是,此处需说明,FLUENT花费的机时一部分源于其采用了三角形单元,单元数更多,计算量更大,这是简化网格生成工作、缩短网格生成时间所带来的必然结果。3适用条件分析(1)搅拌设备的CFD分析有其自身的特点,主要基于稳态和非稳态两种思想。对于带挡板的容器,当搅拌桨与挡板间的相互作用较弱时,可采用多重参考坐标系法;当两者相互作用显著时,适宜采用滑移网格法。(2)STAR-CD与FLUENT在进行搅