不同攪拌參數(shù)的雙層漿攪拌槽三維流場數(shù)值模擬

1、不同不同攪拌參數(shù)攪拌參數(shù)的雙層漿攪拌槽三維流場數(shù)值模擬的雙層漿攪拌槽三維流場數(shù)值模擬李志剛，賈慧芳，王?。ㄈA東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌330013）摘要摘要：運用Fluent軟件，采取多重參考系法（MRF）和標準k?紊流模型對攪拌槽在水中產(chǎn)生的流場進行數(shù)值模擬，分析了槳葉高度和轉(zhuǎn)速對三維流場的影響，并對其宏觀流動特性和時均速度分布進行詳細對比分析。結(jié)果表明，當上槳葉高度為1200mm、轉(zhuǎn)速為1909rmin（200r

2、ads）時，攪拌效果最佳。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：攪拌槽；攪拌參數(shù)；多重參考系法；數(shù)值模擬中圖分類號：中圖分類號：TB115文獻標志碼：文獻標志碼：A文章編號：文章編號：10077545（2013）07000000NumericalSimulationofThreedimensionalFlowFieldinDifferentStirringParametersofStirredTankofDoublefoldedBladesLIZhigangJ

3、IAHuifangWANGJian(KeyLabatyofMinistryofEducationfConveyanceEquipmentEastChinaJiaotongUniversityNanchang330013China)Abstract:TheflowfieldofstirringtankproducedinwaterwasnumericallysimulatedbyMultipleReferenceFrame(MRF)sta

4、rdkεturbulentmodel.Theeffectsofbladeheightrotatingspeedonthreedimensionalflowfieldofstirringtankwereanalyzed.Themacroscopicflowacteristicsaveragedvelocitydistributionwerecomparedanalyzedindetail.Theresultsshowthattheopti

5、mumstirringeffectisobtainedundertheconditionsofbladeheightof1200mmrotatingspeedof1909rmin(200rads).Keywds:stirringtankstirringparametersmultiplereferenceframenumericalsimulation攪拌槽廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、石油化工行業(yè)、生物工程、制藥工程、材料加工以及食品加工等領(lǐng)域

6、[1]。在攪拌槽中，旋轉(zhuǎn)的攪拌槳與固定的擋板相互作用，使槽內(nèi)的流動呈現(xiàn)復(fù)雜的準周期性三維非穩(wěn)態(tài)湍流特性[2]。Suzukawa等[3]用激光多普勒測速儀對開啟渦輪攪拌槳傾斜角度對槳葉處尾渦的影響進行了研究。朱向哲等[4]利用計算流體力學(xué)軟件，采用標準k?紊流模型，分析了非穩(wěn)態(tài)情況下雙層渦輪槳攪拌槽內(nèi)流體的三維紊流流場、紊流動能及能量耗散，討論了槳間距對流場、紊流動能及能量耗散的影響。本文運用Fluent軟件，采取多重參考系法（MRF）和

7、標準k?紊流模型對攪拌槽在水中產(chǎn)生的流場進行數(shù)值模擬，并分析不同的攪拌參數(shù)（槳葉高度、轉(zhuǎn)速）對其三維流場的影響，并對其宏觀流動特性和時均速度分布進行詳細對比分析。1流體數(shù)學(xué)模型流體數(shù)學(xué)模型假設(shè)：1)攪拌槽內(nèi)流體的時均運動為穩(wěn)定流動，忽略周期運動對流場內(nèi)流體宏觀運動的影響。2)流體為連續(xù)、不可壓縮的牛頓流體，攪拌槽內(nèi)流動為各向同性湍流。在圓柱坐標系下，通用狀態(tài)參數(shù)Φ的通用守恒方程式參考文獻[5]。2CFD數(shù)值數(shù)值模擬模擬2.1幾何模型幾何

8、模型攪拌槽直徑為1.5m，其中V形槽高0.8m，圓筒高3.0m，總高度為3.8m，上下槳葉尺寸如圖1所示，上槳葉距離水面0.8m，水面距攪拌槽頂部0.4m。攪拌槽的幾何模型見圖2。收稿日期收稿日期：20120129基金項目：基金項目：江西省對外科技合作項目（20121BDH80016）作者簡介作者簡介：李志剛（1971），男，黑龍江呼蘭人，副教授，博士.doi：10.3969j.issn.10077545.2013.07.015由圖3a

9、可知，上槳葉上下只形成了一個單環(huán)流漩渦。上槳葉下方的速度較大，速度變化較大，上槳葉上方流場變化不大，攪拌混合效果不佳，不利于攪拌槽的運用。由圖3b可知，上槳葉的上下各形成了兩個雙環(huán)流漩渦，上方的漩渦較下方的大得多，速度變化不快，變化較均勻，大水體上下流場混合較充分。由圖3c可知，上槳葉的上下各形成了兩個雙環(huán)流漩渦，上下漩渦形狀幾乎相等。由此可知，隨著槳葉高度的增加，上槳葉根部的流場速度變化不是很大。3.1.2水平面速度場對比水平面速度場

10、對比為了分析上槳葉高度對攪拌槽在水平面流場的影響，選取上槳下方200mm處的截面進行分析。圖4為其水平面速度矢量圖。(a)1000mm(b)1200mm(c)1500mm圖4不同上漿葉高度水平面速度矢量圖不同上漿葉高度水平面速度矢量圖Fig.4Hizontalplanevelocityvectofdifferentheightofupperblades從圖4a可看出，截面處流場受上下槳的轉(zhuǎn)動相當明顯，其軸向速度較大，尤其是槳葉邊緣處的速

11、度較大，中心處的速度則相對較小。從圖4b可看出，在靠近大水邊緣的部分，其軸向速度較大，說明其上下水域流場混合明顯。從圖4c可知，在靠近大水邊緣的部分，其軸向速度較小，說明其上下水域幾乎是相對獨立的區(qū)域。3.2時均速度分布時均速度分布3.2.1軸向速度對比軸向速度對比為了分析上槳葉高度變化時攪拌槽的時均速度分布，需要將其直線上的軸向速度圖、周向速度圖、徑向速度圖進行對比，分析其在各點處的速度變化。圖5是上槳葉高度變化時攪拌槽的x=0.5m

12、、z=0m、y=0~1.5m的直線上的軸向速度分布圖。規(guī)定其軸向速度方向與Y軸相同時為正，反之，則為負。(a)1000mm(b)1200mm(c)1500mm圖5不同上漿葉高度軸向速度分布圖不同上漿葉高度軸向速度分布圖Fig.5Axialvelocityprofileofdifferentheightofupperblades由圖5可知，其軸向速度從零點開始，先開始上升，然后小幅下降，再上升到峰值，然后逐漸下降到零點以下，再緩慢上升到零