六斜葉式攪拌器流場數(shù)值模擬

大學ZhengzhouUniversityCae課程論文六斜葉式攪拌器流場數(shù)值模擬NumericalSimulationofShell-sideFluid-flowintheSixpitchedbladestirrer專業(yè)班級：過程裝備與控制工程3班作者：郝苒杏作者學號：20090360310完成時間：2012年12月16日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"Abstract 1\o"CurrentDocument"1、 背景與意義 1\o"CurrentDocument"2、 研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"3、 數(shù)學物理模型 2\o"CurrentDocument"3.1基本控制方程 2\o"CurrentDocument"3.2湍流模型介紹 3\o"CurrentDocument"4、 六斜葉攪拌器fluent數(shù)值模擬 3\o"CurrentDocument"4.1攪拌器結(jié)構(gòu) 3\o"CurrentDocument"4.2幾何建模 4\o"CurrentDocument"4.3網(wǎng)格劃分 4\o"CurrentDocument"4.4模型求解設(shè)置 5\o"CurrentDocument"4.5邊界條件設(shè)置 6\o"CurrentDocument"4.6殘差設(shè)置 7\o"CurrentDocument"4.7初始化并且迭代求解 8\o"CurrentDocument"5結(jié)果分析 8\o"CurrentDocument"5.1網(wǎng)格獨立性考核 8\o"CurrentDocument"5.2攪拌器流場速度矢量分析 9\o"CurrentDocument"5.3攪拌器壓力場分析 10\o"CurrentDocument"6結(jié)論 11\o"CurrentDocument"7參考文獻 11..w..六斜葉式攪拌器流場數(shù)值模擬摘要本文以常規(guī)六斜葉攪拌器設(shè)備為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，研究了攪拌器攪拌釜的流場特性的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:六斜葉攪拌器流動呈現(xiàn)為一個位于攪拌葉片外側(cè)的大漩渦和一個位于葉片下方的小漩渦，兩個漩渦之間存在流體和能量的交換，在六斜葉攪拌器中，槳葉區(qū)湍動能較大，能量耗散率高。將CFD技術(shù)應(yīng)用于攪拌器攪拌流場的分析，基于Naives-Stokes方程和標準k-e紊流模型，求解攪拌器的湍流場，數(shù)值模擬的結(jié)果對攪拌器水力優(yōu)化設(shè)計具有指導意義。AbstractInthispaper,numericalsimulationiseateriesouttostudytheflowfieldsinthreestirredtankssuchasthegeneralPitchedbladeturbines（PDT）,thestandardRUSHTON,andastirredequipmentwithspecialusage.Theresultsshowthatthereisalarge-scalevortexintheouterofthebladeandasmallvortexbelowtheblade.Theructionstirredisvarylittleflowexchangebetweenthevortices.Theregionofthestirredbalehasarelativelargeturbulenceandhighturbulencedissipationrate.StirrerCFDtechnologyisappliedtotheanalysisoftheflowfield,whichisbasedontheNaives-Stokesequationsandthestandardk-eturbulencemodelandtosolveagitatorturbulencefield.Thenumericalsimulationresultsoftheagitatorishelpfultoguidethedesignofitshydraulicoptimization.1、背景與意義攪拌與混合是應(yīng)用最廣泛的過程操作之一，攪拌設(shè)備也大量應(yīng)用于化工、輕工、醫(yī)藥、食品、造紙、冶金、生物、廢水處理等行業(yè)中。由于相際接觸面積大、傳熱傳質(zhì)效率高、操作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等優(yōu)點，使得攪拌設(shè)備既可以當做反應(yīng)器應(yīng)用于很多場合，例如在合成橡膠，合成纖維和合成塑料這三大合成材料的生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器的約占反應(yīng)器總數(shù)的85%—90%。同時也有大量的攪拌設(shè)備并不是僅用在化學反應(yīng)中應(yīng)用物料的混合、傳熱、傳質(zhì)以及制備乳液、懸浮液等。在很多化工過程中，例如水煤漿和原油的輸送是煤化工，石油化的重要特征，這種高濃度的液體輸送前需要有相應(yīng)的攪拌過程來防止進行前可能的沉淀。在發(fā)酵工業(yè)中，攪拌操作同樣占有非常重要的地位。發(fā)酵工業(yè)涉及到很多有氧呼吸的微生物，同時氧氣在發(fā)酵液中的溶解度一般都很低。為了保證微生物基本代活動所需要的氧氣，氧氣的迅速有效的供給尤為重要。有氧發(fā)酵過程中所涉及到的攪拌操作主要是氣液傳質(zhì)和分散。此外，（l）發(fā)酵過程中一般都伴隨有中間補給，攪拌操作可以使補給原料和基料迅速混合，避免了局部的濃度過高。（2）微生物的代活動和攪拌過程都能產(chǎn)生大量的熱，這些可以通過攪拌來強化傳熱從而使攪拌釜的物料溫度保持均勻。（3）可以使發(fā)酵液中的菌體和固體基質(zhì)均勻的懸浮。在實現(xiàn)混合操作的過程中，轉(zhuǎn)輪的攪拌推流形式起著很重要的作用。不同的轉(zhuǎn)輪造成的攪拌推流效果差別很大，而不同的生產(chǎn)過程有不同的攪拌推流目的。本文將CFD軟件應(yīng)用于攪拌器的攪拌流場分析，對以后的設(shè)計和分析具有指導性的意義。2、 研究現(xiàn)狀流體混合問題實驗研究方法始于十九世紀八十年代，1883年Reynolds在水平放置的玻璃管加入染色劑，然后觀察試管流體的流動揭示了層流和湍流的存在。經(jīng)過一個世紀的實驗研究和理論探索，現(xiàn)在的流體混合技術(shù)已進去了告訴發(fā)展的時期。到這個世紀五，六十年代流場宏觀特征的測量已經(jīng)普遍得到應(yīng)用。近年來，隨著石油，化工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，通過流場部流動的了解來優(yōu)化設(shè)計的要求越來越迫切。在計算機技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、激光技術(shù)、圖形處理技術(shù)這些相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的帶動下，測量技術(shù)也不斷更新，對流場部細節(jié)的描述也變成了研究的重點。攪拌混合技術(shù)在20世紀中期得到了迅速發(fā)展，研究的主要問題是常規(guī)攪拌器在不同粘度的牛頓和非牛頓單相體系，固體顆粒以及小氣泡在液體中混合的非均相體系中攪拌器的功率、混合時間、均勻程度等宏觀特征進行試驗研究。并積累了大量的設(shè)計經(jīng)驗和評估體系。但是目前將試驗中的攪拌裝置直接用于工廠生產(chǎn)中的批量或者大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還有難度。對于試驗設(shè)備的直接放大仍然是十分危險和毫無把握的事情。很多情況下還是采用傳統(tǒng)的一級逐漸放大的方法，但這種方法不僅設(shè)計周期相當長，另外也會耗費大量的人力和物力。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，僅僅在美國一個國家，每年因為攪拌器設(shè)計的不合理而導致的經(jīng)濟損失就高達幾十億美元。另外，隨著新型材料和新的攪拌技術(shù)方法源源不斷的出現(xiàn)，對傳統(tǒng)的攪拌設(shè)備和研究方法也帶來了新的挑戰(zhàn)。常規(guī)的攪拌器顯然已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)高效率，低消耗，環(huán)境無污染等要求，而傳統(tǒng)的攪拌器的設(shè)計方法也面臨著一系列的問題。是否能準確的描述和模擬高粘度非牛頓流體、復雜的多相流、多相藕合、各種化學反應(yīng)己經(jīng)成為當今極為迫切需要解決的問題。只有從根本上有效的解決這些問題才能使攪拌器的研究設(shè)計達到一個新的高度。近年來，光學、圖像信息處理、數(shù)值計算以及計算機等領(lǐng)域的飛速發(fā)展使上述問題的解決成為可能。20世紀末期激光多普勒測速儀和粒子成像測速儀等的出現(xiàn)，以及計算流體力學的發(fā)展使得精確測量流場結(jié)構(gòu)的細節(jié)成為可能。這些細致分析使人們讀攪拌設(shè)備部的流體特性了解更加深刻，這些使得過程裝備的安全和優(yōu)化設(shè)計成為現(xiàn)實，同時也提高了計算效率和降低了失敗的風險，并達到提高反應(yīng)產(chǎn)率的目的。在這種工業(yè)上的需要和科學技術(shù)的發(fā)展雙重背景下面，使得攪拌混合技術(shù)邁進了一個全新的發(fā)展階段。3、 數(shù)學物理模型數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性取決于物理模型及其依靠數(shù)學手段描述現(xiàn)實問題的數(shù)學模型的準確性。對管殼式換熱器進行有效的數(shù)值模擬，建立準確可信的物理和數(shù)學模型是其關(guān)鍵。3.1基本控制方程體流動與傳熱要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)亦要遵守附加的湍流方程，控制方程是這些守恒定律的數(shù)學描述。dp8(pu)8(pv)8(pw)八TOC\o"1-5"\h\z質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)： + + + =0dt dx 8y dz動量守恒方程：Jm￡k2dc+JpVvdA=JpfdT-fpndATdt Anc A

能量方程：￡|能量方程：￡|，+div(PUT)(k)=div—gradT+Sckp)在本文中由于不牽涉熱量交換，所以不用能量方程。3.2湍流模型介紹k-￡模型是fluent提供的一種湍流模型，它把渦粘系數(shù)和湍動能及湍動能耗散聯(lián)系在一起，湍動粘度模型為：CR是常量。')')jdxk/8」邕p"辦jk在標準k-￡模型中，k和￡是兩個基本未知量，與之相對應(yīng)的輸運方程為：Q(pk)+°GkUi)=_L[(r+巴)當+G+G—p8—Y+S(6)dt dx dx o6x Kb mk(6)i / kjd d\p8u)d?R、d8r—85 、八一c瓦GQ+^T^=dT[(葉廠)dT]+C18kR+C38氣)-C28Pk+S8I j 8j其中，gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，GB是由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項，丫心代表可壓湍流中脈動擴的貢獻，C18、C28和C38為經(jīng)驗常數(shù)，Ok和七是1＜方程和￡方程的湍流Prondt1數(shù)，Sk和$8是用戶自定義的源項。在本文中，常數(shù)取以下值：Cr=0.09、C=1.44、C28=1.92、o=1.0、°8=1.3。4、六斜葉攪拌器fluent數(shù)值模擬4.1攪拌器結(jié)構(gòu)六葉型攪拌槳葉片真實形狀如圖4-1所示。

圖4-1攪拌器槳葉片模型 圖4-2攪拌器整體結(jié)構(gòu)4.2幾何建模模擬所用攪拌槽體為平底圓柱體，槽體直徑T=300mm,液面高度H=300mm,采用六斜葉攪拌槳，直徑D=T/3，也葉片傾斜角為45度，其中心線距底面距離為T/3,工作介質(zhì)為水，攪拌器轉(zhuǎn)速為3.53rev/s，攪拌器主要尺寸如圖4-3所示。圖4-3攪拌器主要幾何尺寸4.3網(wǎng)格劃分通過GAMBIT生成計算網(wǎng)格。GAMBIT是目前CFD分析中最好的前置處理器之一，它包含功能強大的幾何建模能力以及先進的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等有特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。GAMBIT可以生成并處理結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，主要包括的二維網(wǎng)格有三角形和四邊形網(wǎng)格，三維網(wǎng)格有四面體、六面體、楔形和金字塔形網(wǎng)格。

計算所用網(wǎng)格采用gamibit劃分，并采用混合網(wǎng)格控制網(wǎng)格數(shù)量，提高計算速度。采用多參考系對攪拌器進行穩(wěn)態(tài)的計算研究。多重參考系法將計算區(qū)域看成是靜止部件和轉(zhuǎn)動的攪拌槳之間的相對運動，采用兩個參考系分別計算。將流體條件假想成定態(tài)。在計算過程將計算域分成包含攪拌槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)和靜止區(qū)域。攪拌器流域由液面、攪拌槽壁、攪拌槳、和攪拌軸組成，其中自有液面采用是粗糙度為0的壁面假設(shè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖4-4和圖4-5所示。圖4-4圖4-4靜區(qū)域網(wǎng)格 圖4-5動區(qū)域網(wǎng)格4.4模型求解設(shè)置(1)選擇計算模型打開solver，對于本例求解按照默認設(shè)置即可，如圖4-6所示。Solver F<ormiihtgvnOK| Help|OK 如n<Solver F<ormiihtgvnOK| Help|OK 如n<叫Hnlp圖4-6求解設(shè)置 圖4-7湍流模型選擇⑶選擇湍流模型，湍流模型選擇k-￡模型，其他按照默認設(shè)置，如圖4-7所示。回OperatingConditionsPressureGravityrGravityOpRMtingPrRssiirp『梢前）I1B1325圖4-9材料設(shè)置-J d■|j±J-JReferencePressureLocationOK 圖4-9材料設(shè)置-J d■|j±J-JReferencePressureLocationOK 防亟i]| Help-（5）設(shè)置流體的物理屬性，從材料庫中把液態(tài)水復制進模型，根據(jù)換熱器的參數(shù)來設(shè)置材料里的參數(shù)如圖4-9所示。4.5邊界條件設(shè)置在計算過程將計算區(qū)域分成包含攪拌槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域和包括擋板和壁面的靜止區(qū)域。攪拌器流域由液面、攪拌槽壁、攪拌槳、和攪拌軸組成轉(zhuǎn)動區(qū)域穩(wěn)態(tài)計算選用MRF轉(zhuǎn)動類型，非穩(wěn)態(tài)選用滑移網(wǎng)格，轉(zhuǎn)速為攪拌器轉(zhuǎn)速。兩區(qū)域的交界面設(shè)置成INTERFACE，參考壓力為一個大氣壓，液面采用的是粗糙度為0的壁面假設(shè)。具體設(shè)置如下：1、 把動區(qū)域的motiontype改為moveingreferenceframe，在rotatioalvelocity改為23rad/s，并且把旋轉(zhuǎn)軸矢量改為y軸方向，如圖4-10所示。圖4-10攪拌器動區(qū)域設(shè)置2、把槳葉的壁面改為movingwall，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)改為rational，把旋轉(zhuǎn)軸改為y軸矢量，如圖4-11所示。圖4-11圖4-11槳葉片壁面設(shè)置3、設(shè)置動靜區(qū)域交界面，打開gridinterface對話框，分別在interfacezone1和interfacezone2中選擇interface-1和interface-2創(chuàng)建交界面，如圖4-12所示。圖4-12圖4-12創(chuàng)建交界面4.6殘差設(shè)置打開殘差設(shè)置對話框，進行如下設(shè)置如下圖4-13所示4h?lutc圖4-13殘差設(shè)置圖4-14殘差曲線

4h?lutc圖4-13殘差設(shè)置圖4-14殘差曲線4.7初始化并且迭代求解迭代1313步之后收斂到設(shè)定值，最終得到的殘差曲線如圖4-14所示。5結(jié)果分析5.1網(wǎng)格獨立性考核利用gamibit軟件用同樣的劃分網(wǎng)格方法，分別對攪拌器進行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格數(shù)分別是117220、165069、227750，并且以攪拌槳附近的直線的各個速度為考察變量，考察網(wǎng)格數(shù)目對結(jié)果的影響，得到的曲線圖如圖5-1所示。圖5-1軸向速度曲線圖5-2徑向速度曲線

圖5-3切向速度曲線從上圖可以看出在徑向的變化過程中軸向速度，徑向速度，切向速度的變化，網(wǎng)格數(shù)為165069和網(wǎng)格數(shù)為227750的三個方向的速度分量的曲線己經(jīng)基本上達到了一致，說明此時的網(wǎng)格已經(jīng)達到網(wǎng)格無關(guān)化的要求。從圖5-1可以看到軸向速度沿徑向先增大后減小，然后到接近攪拌釜壁時又突然急劇變化。半徑比較小時主要是這個區(qū)域是轉(zhuǎn)動區(qū)域，攪拌槳的轉(zhuǎn)動帶動流體的運動使得速度沿攪拌槳逐漸增加，并在攪拌葉片葉尖部分達到最大值。葉尖外部由于流體的阻力使得速度逐漸下降，到攪拌釜壁面附近流體產(chǎn)生回流使得流體速度突然變化。從圖5-2和5-3中沿徑向變化趨勢與軸向基本一樣，相對來說軸向速度變化最為劇烈，切向速度最為平緩，主要是六斜葉槳為軸向流槳葉，產(chǎn)生的射流作用使得射流區(qū)域速度隨著徑向距離的增加而增大，然后在射流區(qū)外速度又慢慢隨著徑向距離增加而減小。，其中存在的差異，可能是由于模型的選取及其缺陷和湍流本身的復雜性，以及實驗測量本身等一系列的因素的誤差造成的。5.2攪拌器流場速度矢量分析圖5-5y=0橫截面平面速度矢量圖以槳葉形式為六斜葉攪拌槳、流體介質(zhì)為水。轉(zhuǎn)速為3.53rev/s工況的流場模擬結(jié)果截取軸截面圖5-5y=0橫截面平面速度矢量圖以槳葉形式為六斜葉攪拌槳、流體介質(zhì)為水。轉(zhuǎn)速為3.53rev/s工況的流場模擬結(jié)果截取軸截面z=0mm和y=0mm時的橫截面速度矢量圖。由于穩(wěn)態(tài)時三種網(wǎng)格的矢量圖基本一樣所以只是取網(wǎng)格數(shù)為165069時的矢量圖進行說明。從圖5-4可以看出最顯著的流場結(jié)果是通過排出射流形成的由攪拌槳葉底面開始的一個大的循環(huán)，渦心是靠近攪拌釜壁面，距離攪拌釜底面約為1/3T的位置，這主要是由葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力造成的。射流的角度主要由葉片的葉片的傾斜角決定，另外一個小的循環(huán)出現(xiàn)在槳葉下方靠近軸的地方。速度最大區(qū)域是在槳葉的葉尖區(qū)，葉片的高速旋轉(zhuǎn)，導致這個區(qū)域速度最大。而液面部分由于離攪拌槳的距離比較遠，所以受到的影響很小，所以液面部分速度矢量最小。說明在遠離攪拌槳的區(qū)域沒有很好的攪拌效果。圖5-5是y=0的橫截面速度矢量圖，即攪拌槳槳葉軸向中部的位置。從圖中我們基本可以看出在攪拌槳旋轉(zhuǎn)區(qū)域的速度值較大，攪拌區(qū)速度比較快主要是由于攪拌槳的旋轉(zhuǎn)作用造成的。

02-0.15 02-0.15 -0.1 4)_0& 0 0.05 0.1Od-5 O1& 0.1 -。昉 0 。1 0.15圖5-6Z=0平面軸截面速度流線圖 圖5-7y=0橫截面平面速度流線圖同圖5-4與圖5-5,圖5-6與圖5-7截取位置對應(yīng)相同，圖5-6是選取軸截面，我們可以在流線圖中看見流體的流動軌跡，在槳葉下方，流體被斜槳葉產(chǎn)生的向下的推力推動，往下運動，在一定圍碰到槽底形成順時針的漩渦形運動趨勢。而在下方流體流動軌跡會形成一個小循環(huán)，旋轉(zhuǎn)槳葉在葉輪區(qū)產(chǎn)生高速的軸向射流，軸向射流在流動過程中夾帶周圍的流體碰撞到攪拌釜底面流體分