六斜葉式攪拌器流場數(shù)值模擬

1、ZhengzhouUniversityCae課程論文六斜葉式攪拌器流場數(shù)值模擬Numerical Simulation of Shell-side Fluid-flow in theSix pitched blade stirrer專業(yè)班級：過程裝備與控制工程3班作者姓名：郝苒杏作者學號：20090360310完成時間：2012年12月16日目錄摘要1Abstract11、背景與意義12、研究現(xiàn)狀13、數(shù)學物理模型2基本控制方程2湍流模型介紹34、六斜葉攪拌器fluent數(shù)值模擬3攪拌器結(jié)構(gòu)3幾何建模4網(wǎng)格劃分4模型求解設(shè)置5邊界條件設(shè)置6殘差設(shè)置7初始化并且迭代求解85結(jié)果分析8網(wǎng)格獨立性考

2、核8攪拌器流場速度矢量分析9攪拌器壓力場分析106結(jié)論117參考文獻11六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內(nèi)的流場特性的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:六斜葉攪拌器內(nèi)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ke 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(dǎo)意義。AbstractInthis paper,numeric

3、alsimulation is eateriesouttostudytheflowfieldsinthreestirredtankssuchasthegeneralPitchedbladeturbines(PDT)，thestandardRUSHTON，andastirredequipmentwithspecialusage. Theresultsshowthatthereis alarge-scale vortexintheouterofthebladeandasmallvortexbelowtheblade. The ruction stirred is vary little flow

4、exchange between the vortices. The region of the stirred bale has a relative large turbulence and high turbulence dissipation rate.Stirrer CFD technology is applied to the analysis of the flow field, which is based on the Naives-Stokes equations and the standard k-e turbulence model and to solve agi

5、tator turbulence field. The numerical simulation results of the agitator is helpful to guide the design of its hydraulicoptimization.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)

6、器總數(shù)的85%一90%。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謝活動所需要的氧氣，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。

7、(2)微生物的代謝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內(nèi)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(dǎo)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內(nèi)加入染色劑，然后觀察試管內(nèi)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

8、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，通過流場內(nèi)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，對流場內(nèi)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

9、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(dǎo)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(fù)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

10、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)備內(nèi)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

11、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。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。質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)： （1）動量守恒方程： （2）能量方程：（3）在本文中由于不牽涉熱量交換，所以不用能量方程。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： （4）是常量。在模型中，表示湍動耗散率的被定義為： （5）在標準k-模型中，k和是兩個基本未知量，與之相對

12、應(yīng)的輸運方程為：(6)其中，是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，是由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項，代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，、和為經(jīng)驗常數(shù)，和是k方程和方程的湍流Prandtl數(shù)，和是用戶自定義的源項。在本文中，常數(shù)取以下值：、。4、六斜葉攪拌器fluent數(shù)值模擬攪拌器結(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)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=，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通過GAMBIT生成計算網(wǎng)格。GAMBIT是目前CFD分析

13、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。攪拌器內(nèi)流域由液面、攪拌槽壁、攪拌槳、和攪拌軸組成，

14、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靜區(qū)域網(wǎng)格圖4-5動區(qū)域網(wǎng)格 (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。圖4-6 求解設(shè)置圖4-7湍流模型選擇 （3）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。 圖4-8 操作工況設(shè)置 圖4-9 材料設(shè)置（4）操作工況設(shè)置，如圖4-8所示。（5）設(shè)置流體的物理屬性，從材料庫中把液態(tài)水復(fù)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。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。攪拌器內(nèi)流域由液面、攪

15、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motion type改為moveing reference frame，在rotatioal velocity 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moving wall，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 槳葉片壁面設(shè)置3、設(shè)置動靜區(qū)域

16、交界面，打開grid interface對話框，分別在interface zone 1和interface zone 2中選擇interface-1和interface-2創(chuàng)建交界面，如圖4-12所示。圖4-12 創(chuàng)建交界面打開殘差設(shè)置對話框，進行如下設(shè)置如下圖4-13所示 圖4-13 殘差設(shè)置 圖4-14殘差曲線迭代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

17、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

18、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(fù)雜性，以及實驗測量本身等一系列的因素的誤差造成的。攪拌器流場速度矢量分析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。圖5-4 Z=0平面軸截面速度矢量圖

19、圖5-5 y=0橫截面平面速度矢量圖從圖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(dǎo)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

20、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。圖5-6 Z=0平面軸截面速度流線圖 圖5-7 y=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，在一定范圍內(nèi)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別向左，向右形成一個大循環(huán)，一個小循環(huán)模擬成功的反應(yīng)了六斜葉葉輪“雙循環(huán)”流動形式當轉(zhuǎn)速提高時槽內(nèi)流場分布將更為均勻。圖5-7同圖5-5截取位置一樣，是y=0mm時的橫截面流線圖，在高轉(zhuǎn)速下，環(huán)繞葉輪的液流處于非各向同性的流動狀態(tài)。因而產(chǎn)生了湍流。由于斜葉槳的抽吸作用，使得流體朝著攪拌區(qū)向下流動。圖中可以看出，流體從攪拌釜壁面向