攪拌器fluent實(shí)例分析

1、攪拌器數(shù)值模擬1引言攪拌混合足種常規(guī)的單元操作，只有廣泛的應(yīng)用背最，攪拌可以使物料混 合均勻、使氣體在液相中很好地分散、使固體粒了（如催化劑）在液相中均勻地懸 浮、使不相溶的另液相均勻懸浮或者充分乳化，并可以強(qiáng)化相間的傳質(zhì)、傳熱。 作為丁業(yè)生產(chǎn)中T藝過程的部分，攪拌效果直接影響到Jt它后續(xù)生產(chǎn)過程。在利用趙臨界流體對廢I 口橡膠進(jìn)行脫硫的課題中，脫硫反應(yīng)釜中應(yīng)川四葉渦 輪攪拌器加強(qiáng)脫硫劑對溶脹橡股的滲透作用o本文即對攪拌器在反應(yīng)釜中產(chǎn)生的 流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析攪拌流場特性，通過模擬得到流場結(jié)構(gòu)及攪拌槳的速度 矢最分布。2攪拌器流場數(shù)值模擬2.1四葉渦輪攪拌器solidworks建模四葉渦輪攪

2、拌器槳葉直徑£> = 106 mm，葉片寬“ =20叭，厚八2 nun ,輪轂 直徑20mm。三維模型建好后，保存為jiaobanqi.IGS文件。圖1四葉渦輪攬拌器2.2四葉渦輪攪拌器Gambit建模（1）將生成的jiaobanqi.IGS文件導(dǎo)入Gambit中，得到volume 1。（2）建立攪拌槽模型心文采用平底圓柱形槽體，內(nèi)徑7 = 2.0 mm ,槽內(nèi)液位高度H =7 :攪拌器安裝在軸徑的攪拌軸上，槳葉中心線離槽底高度C = 7/3。1) 建立圓柱體模型，此模型作為攪拌器的動(dòng)區(qū)域，圓柱體尺寸高為60mm, 半60mm.之后需對圓柱體進(jìn)行平移，由于圓柱體的基準(zhǔn)面都是建立

3、在坐標(biāo)原 點(diǎn)所處的面上，本模型需使圓柱體沿著Z軸平移，設(shè)定Z軸的平移帚為20,得 到 volumc2o2) 以同樣的方法分別建立高為40mm,半徑為8mm,高為210mm,半徑為 105mm,高為110mm,半徑為8mm的3個(gè)圓柱體，分別為volumc3, vohimc4, volumc5, Jt中volumc3無需平移,volumc4沿Z軸平移60, volumc5沿Z軸平移40。最終得到攪拌槽的模型如圖3所示。圖3攪拌槽模型(3)布爾運(yùn)算本次模擬采用多重參考系模型(Muki-Rcfcrcncc Frame, MRF )。即在計(jì)算時(shí), 將計(jì)算域分成兩大部分：部分包含運(yùn)動(dòng)的葉片，即轉(zhuǎn)子區(qū)，另部

4、分包含靜止 的和體，稱為定了區(qū)；兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算分別采用兩個(gè)參考坐標(biāo)系來進(jìn)行，葉片所 在區(qū)域（轉(zhuǎn)子區(qū)）采用以葉片速度旋轉(zhuǎn)的參考系，另部分區(qū)域（定了區(qū)）便用 靜止參考系，具體設(shè)置見圖4,參考系邊界可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。a:轉(zhuǎn)子區(qū)（采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系） b:定子區(qū)（采用靜止坐標(biāo)系） Es:兩部分的界面圖4 多重多考系模型示意圖因此在建立Gambit模型時(shí)進(jìn)行布爾減操作，即將攪拌槽的整體分為轉(zhuǎn)子區(qū) 和定了區(qū)兩部分，同吋在轉(zhuǎn)子區(qū)去除攪拌器。首先攪拌槽整體區(qū)域與轉(zhuǎn)子區(qū)相減, 需保留轉(zhuǎn)了區(qū)。以同樣的方法完成攪拌槽整體區(qū)域與攪拌軸上部相減，轉(zhuǎn)了區(qū)與 攪徉器柑減，轉(zhuǎn)子區(qū)與攪拌軸下部相減。<4）網(wǎng)格劃分目前，在

5、復(fù)雜區(qū)域內(nèi)生成網(wǎng)格的方法總的來說可以分為兩大類：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 和侔結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。半計(jì)算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)形狀比較規(guī)則時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用結(jié)構(gòu)化 網(wǎng)格進(jìn)行劃分區(qū)域，在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，每節(jié)點(diǎn)及控制容積的幾何信息必須加以 存儲，但該節(jié)點(diǎn)與英相鄰點(diǎn)關(guān)系則町依據(jù)網(wǎng)格編號規(guī)律自動(dòng)得出，因而不必存儲 這類信息，這是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的一大優(yōu)點(diǎn)。為計(jì)算區(qū)域比較復(fù)雜時(shí)，即使應(yīng)用專門的網(wǎng)格生成技術(shù)也難以處理所求解的 不規(guī)則區(qū)域，這時(shí)釆用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分。在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，由于 個(gè)節(jié)點(diǎn)與其鄰點(diǎn)的關(guān)系不是固定不變的，因此這種聯(lián)結(jié)信息必須對每個(gè)節(jié)點(diǎn)都 顯式地確定下來并加以存儲。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的這特點(diǎn)對于網(wǎng)格的自動(dòng)生成、自 適應(yīng)處理及平

6、行計(jì)算的實(shí)施帶來不少方便，因此這種網(wǎng)格被普遍使用。本次模擬采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即六面體網(wǎng)格，此種網(wǎng)格計(jì)算過程較容易，便于 控制。首先對攪拌槽體即定子區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距為2。對于轉(zhuǎn)子區(qū)網(wǎng)格 的劃分，由于需近攪拌軸，攪拌速度較快，因此轉(zhuǎn)了區(qū)網(wǎng)格需較定了區(qū)的網(wǎng)格密, 因此網(wǎng)格間距改為1,英他條件與定了區(qū)網(wǎng)格劃分的條件相同。報(bào)后如圖5所示為完成網(wǎng)格劃分的攪拌槽。圖5攪拌槽網(wǎng)格圖（5）設(shè)定邊界條件1）攪拌器和攪拌軸都設(shè)為壁面WALLo即攪拌器Name設(shè)為jbq-w, Type 選擇WALL：攪拌軸分為上下兩個(gè)區(qū)域，暮近攪拌器的區(qū)域的攪拌軸Name設(shè)為 shaft-down, Type同樣選擇WALL；

7、另區(qū)域的攪拌軸Name設(shè)為shaft-up, Type 同樣選擇WALL。2）按拌槽底部和側(cè)面都設(shè)為WALL, Name為jbcw；攪拌杷I頂部為自由液 面'因此 Type 選擇 SYMMETRY, Name 為 jbctop。3）攪拌槽中定子區(qū)和轉(zhuǎn)子區(qū)的交接面為轉(zhuǎn)了區(qū)的外表面，此表面處為兩層 面重合，因此選用 Type 為 NTERFACE, Name 分別為 in-b in-2, in-3, out-1, out-2, out-3,分別代表轉(zhuǎn)了區(qū)外側(cè)，轉(zhuǎn)了區(qū)上表面，轉(zhuǎn)了區(qū)下表面，定子區(qū)與 轉(zhuǎn)子區(qū)交界面的側(cè)面，定了區(qū)與轉(zhuǎn)子區(qū)交界面的上表面，定子區(qū)與轉(zhuǎn)子區(qū)交界面 的下表面。（7）定義實(shí)

8、體區(qū)域如上文所述攪拌槽整體區(qū)域分為轉(zhuǎn)子區(qū)和定了區(qū)，因此需對It進(jìn)行設(shè)置。將 靜區(qū)域Name主為jing,動(dòng)區(qū)域Name定為dong, Type都選為FLUID。（8）保存Mesh文件，將網(wǎng)格輸出為為jbq.mshc2. 3 Fluent求解計(jì)算以三維單精度（3d ）方式成動(dòng)Fluent,將在Gambit中建好的物理模型及網(wǎng)格 導(dǎo)入Fluent求解器中，進(jìn)行數(shù)值求解。具體求解步驟如下：（1）網(wǎng)格操作1）導(dǎo)入jbq.msh文件；在將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent后,必須對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，檢 査最小網(wǎng)格體積是否小于0,以便確定定否可克接用于CFD求解。選擇Grid- Cheek 命令，F(xiàn)luent會自動(dòng)完成網(wǎng)格

9、檢査，同時(shí)報(bào)告計(jì)算域、體、面、節(jié)點(diǎn)的 統(tǒng)計(jì)信息。若發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤存在，F(xiàn)luent會給出相關(guān)提示。2）設(shè)置計(jì)算區(qū)域的尺寸和單位制。Fluent默認(rèn)的長度單位為g改為Gambit 默認(rèn)的單位mm；同時(shí)盂把角速度angluar velocity的單位設(shè)置為rpm.3）依次點(diǎn)擊 Grid-*Swmooth/Swap Grid,分別點(diǎn)擊 Smooth, Swap 循環(huán)，直 至Swap信息中出現(xiàn)Number feces swaps: 0為止；這步操作是對網(wǎng)格光順以及對 等角傾斜度（skewness）高的地方交換網(wǎng)格以便于后面的運(yùn)算。（2）模型設(shè)置1）求解器的選擇。因?yàn)楹竺嫠玫腗RF為穩(wěn)態(tài)處理法，假設(shè)流動(dòng)是

10、穩(wěn)定 的，轉(zhuǎn)了一定子的作用效果是近似的平均，這種模型可用于轉(zhuǎn)子定子之間的只有 微弱的柑互作用，或只需要求系統(tǒng)的近似解的場介，因此選取默認(rèn)的3維穩(wěn)態(tài)求 解器即可。2）選擇湍流模型。選則k-epsilon2eqn, kc模型是最簡單的完整湍流模型, 是兩個(gè)方程的模型，要解兩個(gè)變最，速度和長度尺度。在Fluent中，標(biāo)準(zhǔn)kc模 型自從被Launder and Spalding IIIZ后，就變成T程流場計(jì)算中上要的TMT- 適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、精度合理，所以它在工業(yè)流場和熱交換模擬中廣泛應(yīng)用。k-e 是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的公式,是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)彖中總結(jié)出來的，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。 k方程是個(gè)榊確方程，c方程是

11、個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k-c模樂假定流場完 全是湍流，分了間的粘性可以忽略。標(biāo)準(zhǔn)kc模型只對完全是湍流的流場有效。3）設(shè)置物料特性。為簡化模擬過程，本文中選用水為攪拌介質(zhì)。4）操作條件的設(shè)置。由于本計(jì)算的問題需要計(jì)及重力影響，故設(shè)定Z方 向上的逍力加速度分駅值為9.81訂o（3）設(shè)置邊界條件。由于應(yīng)用MRF方法進(jìn)行模擬，所以將轉(zhuǎn)子區(qū)內(nèi)的流 體設(shè)定與攪拌槳相同轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而定了區(qū)內(nèi)的流體則是靜止的。槽內(nèi)舉面定 義為靜止壁面條件，攪拌軸及槳葉設(shè)為運(yùn)動(dòng)碇面，模型的自由液面處采用自由邊 界條件。這里需對攪拌器、攪拌軸、定子區(qū)和轉(zhuǎn)子區(qū)分別進(jìn)行設(shè)置。本文攪拌器轉(zhuǎn)速 為N - 30<） rpm ,

12、故需在"> 300 rpm時(shí)模擬計(jì)算。1）攪拌槽區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)置為水，因此在選擇過程中都選擇水為介質(zhì)。2）定義攪拌器、攪拌軸、定子區(qū)、轉(zhuǎn)子區(qū)的邊界條件吋，由于攪拌過程中 都隨攪拌器旋轉(zhuǎn)，因此選擇Momentum下選擇Wall Motion中的Moving Wall, 而轉(zhuǎn)了區(qū)中的攪拌器和攪拌軸運(yùn)動(dòng)條件的設(shè)置則是選擇Motion下方的相對速度 Relative to Adjacent Cell Zone 和轉(zhuǎn)動(dòng) Rotational,保持 Speed 為 0,即定義四葉渦 輪攪拌器葉輪及轉(zhuǎn)了區(qū)的攪樣軸與鄰近的區(qū)城起以300rpm的轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)動(dòng)。 定了區(qū)的攪拌軸選擇的運(yùn)動(dòng)條件是絕對

13、速度Absolute和轉(zhuǎn)動(dòng)Rotational, Speed 為 300rpm。3）在定義轉(zhuǎn)子區(qū)時(shí)需選擇Motion中Motion Type為Moving Reference Frame,即成用 MRF 模型，在 Rotational Velocity 的 Speed 里輸入 300,即轉(zhuǎn)了 區(qū)內(nèi)流體為水，且以300rpm的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。在定義定了區(qū)時(shí)流動(dòng)形式則選擇 Stationary o4）除定義以I.邊界Z外，還要定義交界面。點(diǎn)擊Define-*Grid Interfaces, 選擇轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)了區(qū)與靜止定了區(qū)相交面（即在Gambit里定義的Inter倫cc邊界），設(shè) 置 3 組即可,分別為 i

14、nl-outl-*zl, in 2-out2z2, in 3-out3*z3,這個(gè)設(shè)置是為 了使兩個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。（4）求解1）設(shè)置求解參數(shù)，本文基于穩(wěn)態(tài)隱式分離求解算法，動(dòng)危方程按階迎風(fēng) 格式進(jìn)行離散求解，壓力速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法。2）對流場初始化，選擇從所有區(qū)域開始計(jì)算（Compute From all zones）。由 于在穩(wěn)態(tài)條件下求解流動(dòng)場，因此設(shè)定初始條件為0 .3）設(shè)定收斂殘差。將各變最的收斂殘差設(shè)為io-S并勾選plot選項(xiàng)打開繪 制參數(shù)隨迭代次數(shù)變化的監(jiān)視窗口。4）完成11述步驟的設(shè)置后，對文件進(jìn)行保存，保存文件為jbq.cas。5）開始求無。設(shè)定迭代步

15、數(shù)為1000,進(jìn)行迭代計(jì)算，百至收斂。6）設(shè)置觀測面。本次模擬觀測攪拌軸所在的YZ面、攪拌器所在的XY面 上的攪拌速度云圖和速度矢帚:圖，設(shè)置X-Coordinatc25及Z為觀測面。7）最后結(jié)果如圖所示。3數(shù)值模擬結(jié)果分析四葉渦輪攪拌槳屬于比較簡單的開啟式渦輪攪拌器，排出性能較高，有利于 液牡的快速循環(huán)流動(dòng)，而剪切性能高能使流體間的速度梯度大，這都是攪拌過程 所需要的。本文以攪拌槽的軸向縱截向?yàn)檠芯繉﹀瑁凇? 300 rpm吋模擬計(jì)算，得到四葉渦輪攪拌器速度云圖和速度矢最分布圖。Cottun of Vctal>* U »UHUMTO(M ptm u)圖6速度云圖 4641

16、4<l 48從流場的模擬結(jié)果（圖6,以X-Coordinatc25為觀測面）可以看出，攪拌器 葉片射流處流體速度最高，隨著流動(dòng)遠(yuǎn)離葉片，速度逐漸降低，葉片噴射出的流 體進(jìn)入周的大最低速運(yùn)動(dòng)的流體中，卷吸周帀流體，并沿軸向和徑向擴(kuò)散。戲中代表高速的為高亮度區(qū)域。離亮度區(qū)域的面枳越大，速度云圖的分布范 圍越廣，即說明攪動(dòng)范用越大，攪拌效果就越好。從對四葉渦輪攪拌器的云圖可 以看出，攪拌器葉片附近高亮區(qū)域集中，證明攪拌器周圍流暢攪拌效果最好。對定了區(qū)域部分?jǐn)嚢栊Ч哪M不是特別理想，而且轉(zhuǎn)了區(qū)和定了區(qū)之間交 界向明顯，分析原因町能是本次模擬過程中網(wǎng)格劃分不夠連續(xù)，網(wǎng)格質(zhì)帚不夠高 導(dǎo)致。之后的研

17、究可以進(jìn)一步針對網(wǎng)格劃分進(jìn)行。 WJCtHTXi)Ccetoun of 31W«i4n U MULUEKTe J(X! ptmw圖7軸向速度云圖圖7為攪拌器的軸向速度云圖（以X-Coordinate25為觀測面），從圖中可以 看出攪拌器下部筋近攪拌軸的區(qū)域，以及攪拌杷壁面附近流體的速度較高，這是 由于葉輪推動(dòng)液體時(shí)，流體先沿徑向運(yùn)動(dòng)，碰到攪拌槽避免后會分別向上向下流 動(dòng)，即沿軸向流動(dòng)，從而導(dǎo)致攪拌槽附近的軸向速度較大，而向下流動(dòng)的流體接 觸到攪拌槽底部時(shí)會反轉(zhuǎn)卷吸到攪拌器的下部，從而造成攪拌器下部軸向速度的 高亮區(qū)。B併.fy me4PUt"Cortouft o< R

18、adial Wtoefy(*)W 1> 2012FlUtHTOfM Ptm rw4n圖X能向速度云圖EEisEEEIjIf從攪拌器的徑向速度云圖（圖8,以Z為觀測向）中町以看出，在攪拌器的 轉(zhuǎn)動(dòng)下葉輪的頂部及葉片所夾區(qū)域的徑向流速較大，這說明在攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)下, 攪徉器周圍及兩葉片間的物料混合效果較好。從速度矢量分布（圖9,以X-Coordinate25為觀測面）可以看出，四葉渦輪 攪瑋器呈現(xiàn)出對稱的雙渦環(huán)流場結(jié)構(gòu)，隔離區(qū)中心分別位于攪樣器的I：下方，符 合繪向流攪拌器特:征。流體在葉輪出【】處產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向運(yùn)動(dòng)，在槽的底部和上 部各產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)區(qū)。在葉輪區(qū)，即葉輪邊界所確定的區(qū)域，葉輪旋轉(zhuǎn)直接推動(dòng)液體，形成主流， 液流貝有射流特征，卷吸周闊流體，周