浆液池搅拌器固液两相三维数值模拟

固液两相声共振混合数值模拟

2018年第37卷第3期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·913·化工进展固液两相声共振混合数值模拟张毅铭1，马宁2，王小鹏1，陈天宁1（1西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西西安 710049；2西安近代化学研究所氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西西安 710065）摘要：声共振混合作为一种解决力/热敏感超细材料均匀分散混合问题的新方法，其技术特点是混合容器工作在共振状态下使用不超过200Hz 的振动产生低频声场促进混合。

本文采用气固液三相流模型对一种固体、一种液体在声共振混合容器中的混合过程进行建模。

固体颗粒与液体之间相互作用系数采用Gidaspow 公式。

采用固体颗粒体积分数标准偏差作为标准对混合均匀性进行了评价。

计算结果表明，在100g 振动加速度下容器中出现了体流现象，并初步计算了不同高宽比、不同激振参数条件下的混合特性，对计算结果进行了分析。

最后利用自搭建的声共振混合样机，分别在低固含量、高固含量条件下进行实验，记录混合过程中固体颗粒的运动轨迹。

实验结果初步验证了仿真模拟的正确性以及声共振样机的混合能力。

关键词：声共振混合；振动；多相流；混合；数值模拟中图分类号：TQ56 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）03–0913–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1292Simulation of resonant acoustic mixing of liquid-solid-phaseZHANG Yiming 1，MA Ning 2，WANG Xiaopeng 1，CHEN Tianning 1（1State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures ，Xi’an Jiaotong University ，Xi’an 710049，Shaanxi ，China ；2State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals ，Xi’an Modern Chemistry Research Institute ，Xi’an 710065，Shaanxi ，China ）Abstract ：Resonance acoustic mixing is a new method to solve the problem of uniform dispersion of theforce/heat sensitive ultra-fine materials. The technical feature of this technology is that the mixing vessel is working in a resonant state and uses a vibration at a frequency less 200Hz to produce a low frequency sound field to promote mixing. In this paper ，a solid-liquid three-phase flow model was used to model the mixing process of a solid liquid in an acoustic resonant mixing vessel. The interaction coefficient between solid particles and liquid is Gidaspow's formula. The mixing uniformity was evaluated by using the standard deviation of the volume fraction of solid particles. The results showed that the bulk flow phenomenon occurred in the vessel with 100g vibration acceleration ，and the mixing characteristics under different aspect ratios and different excitation parameters were calculated. The calculation results were analyzed. Finally ，the experiments were carried out under low and high solid volume fractions ，and the tracks of solid particles in the mixing process were recorded. The experimental results verify the correctness of the simulation and the mixing ability of the resonant acoustic mixing prototype.Key words ：resonant acoustic mixing ；vibration ；multiphase flow ；mixing ；numerical simulation声共振混合方法作为一种新型的混合技术，其技术特点是混合容器工作在共振状态下，使用不超过200Hz 的振动使被混物料内部由于低频声效应而产生体流[1]。

搅拌釜内稠密固-液混合的数值模拟

2020 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2020文章编号：1003-9015(2020)04-0890-07搅拌釜内稠密固-液混合的数值模拟徐子龙, 孙宁, 杨潮, 刘宝庆, 金志江(浙江大学化工机械研究所, 浙江杭州 310027)摘要：基于颗粒动力学理论对稠密固-液搅拌釜进行模拟，探究固相分布、固相悬浮高度及沉积高度随转速的变化规律。

结果表明，采用颗粒动力学理论(KTGF)模型能够较好地预测稠密固-液混合状态。

在较低的转速下，釜底的固相浓度较高，桨叶下方、釜壁与釜底的连接处易形成固相的沉积，且搅拌釜上方会出现清液区域。

随着转速的增加，固相在轴向分布逐渐均匀，固相沉积区域及固相悬浮高度分别缩小和升高。

但是，当转速达到一定程度后，固相均匀度及固相悬浮高度的改善不明显。

此外，将固相均匀度法、固相沉积高度法及固相悬浮高度法预测的临界离底悬浮转速与实验数据进行比较，模拟值分别低于、高于和低于实验值。

关键词：搅拌釜；颗粒动力学理论；稠密固-液两相流；计算流体力学中图分类号：TQ 051.7 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2020.04.006 Numerical study on dense solid-liquid mixing in a stirred tankXU Zi-long, SUN Ning, YANG Chao, LIU Bao-qing, JIN Zhi-jiang(Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: The dense solid-liquid flow in a stirred tank was simulated based on the kinetic theory of granular flow (KTGF), and the effects of impeller speed on solid distribution, cloud height and sedimentation bed height were investigated. The results show that the KTGF model can well predict the dense solid-liquid mixing state in the stirred tank. At the lower impeller speed, the solids have higher concentration at tank bottom and clear liquid forms in the upper zone, and solids are easy to sediment at location below the impeller and near the junction of tank wall and bottom. With the increase of impeller speed, the solid distribution in axial direction is gradually uniform, cloud height increases and the sedimentation area reduces. However, the improvement in solid homogeneity and cloud height is not obvious when the impeller speed increase and reaches a certain value. In addition, the critical just off-bottom suspension impeller speed predicted by the solid homogeneity method, sedimentation bed height method and cloud height method is lower, higher and lower than the experimental data, respectively.Key words: stirred tank; kinetic theory of granular flow; dense solid-liquid flows; CFD1前言固-液混合是化工领域重要的单元操作之一，其目的是将固-液两相充分接触，从而加快反应及传质速率[1]。

搅拌槽内液固固三相流数值模拟研究

构见图１。
本研究采用与单相流和两相流相似的时间平均法［对三相流中各相的瞬时、局部质量和动量４］控制方程进行时间平均，得到了各相在控制体内
收稿日期：２０－２２；修订日期：２０— ３００７１—９０８０ —５
１数值计算模型与算法
１１计算模型．
本研究中，数值计算模型基于Ｅｌｉ－ｕｒｎｕｅａＥｌｉｒｎｅａ的多流体模型。液相与两种不同粒径的固体颗粒分别为不同的相。两种固体颗粒为球形玻璃珠，密度ｐ均为２３０ｋ／，粒径ｄｓ６ｇｍ。和ｄ分别为５ｍ和１０ｔ００ｔｍ，总体相含率口和口都为２００。模拟计算的搅拌槽和标准Ｒｓｔｎ桨结．１ｕｈｏ
维普资讯 http://www.Hale Waihona Puke
９８
化学反应工程与工艺
２０年４月０８
的瞬时质量控制方程和动量控制方程。对于液一固三相湍流流动，采用与单相和两相湍流流动相似固一
的ＲＡＮＳ（ｙｏｄｖｒｇｄＮａｉ — ｔｋｓｅｕｔｎ）方法ＲｅｎｌｓｅａｅｖｅＳｏｅｑａｉｓａｒｏ引，得到了三相流的Ｒｙｏｄｅｎｌｓ时均质量控制和动量控制方程：
图１搅拌槽和搅拌桨的结构
Ｆｇ１ｏ￣ｕａｉｎｏｔｒｄｔｎｉ．ＣｎｉｒｔｆｓｉｅａｋｇｏｒａｄＲｕｈｏｐｌｒｎｓｔｎｉｅｌｍｅ

三维搅拌器数值模拟

搅拌器数值模拟1 引言搅拌混合是一种常规的单元操作，具有广泛的应用背景，搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传质、传热。

作为工业生产中工艺过程的一部分，搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。

在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。

本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算，分析搅拌流场特性，通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。

2 搅拌器流场数值模拟2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks 建模四叶涡轮搅拌器桨叶直径mm 106=D ，叶片宽mm 20=a ，厚mm 2=b ，轮毂直径20mm 。

三维模型建好后，保存为jiaobanqi.IGS 文件。

图1 四叶涡轮搅拌器2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit 建模（1）将生成的jiaobanqi.IGS 文件导入Gambit 中，得到volume1。

（2）建立搅拌槽模型本文采用平底圆柱形槽体，内径 mm 210=T ，槽内液位高度T H =；搅拌器安装在轴径mm=d的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度316C=。

T图2 搅拌槽尺寸1）建立圆柱体模型，此模型作为搅拌器的动区域，圆柱体尺寸高为60mm，半径60mm。

之后需对圆柱体进行平移，由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上，本模型需使圆柱体沿着Z轴平移，设定Z轴的平移量为-20，得到volume2。

2）以同样的方法分别建立高为40mm，半径为8mm，高为210mm，半径为105mm，高为110mm，半径为8mm的3个圆柱体，分别为volume3，volume4，volume5，其中volume3无需平移，volume4沿Z轴平移-60，volume5沿Z轴平移40。

最终得到搅拌槽的模型如图3所示。

图3 搅拌槽模型（3）布尔运算本次模拟采用多重参考系模型( Multi-Reference Frame, MRF )。

搅拌槽内部固-液悬浮流场的数值模拟及实验研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｍｄｏｇｙａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｍｐｒｏｙｅｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｕｆｉｄ
机械设计与制造
ｌ７０ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第５期２０１３年５月
搅拌槽内部固一液悬浮流场的数值模拟及实验研究
贾海洋，唐克伦，唐永亮，付磊，张洋，刘琰
ＬＤＶａｎｄＰＩＶｍｅｃａ￣ｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｃｒｒａｉｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａｓｔｕｄｙ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｔＣＦＤａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ
ｃｏｉｎｃｉｄｅｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｔａａｖｅｒｙｗｅｌ１．Ｓｉｘｌｅｄｉｓｃｔｕｒｂｉｎｅｂｌｅｎｄｅｒｉｎｔｅｒｎｌａｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｌｏｆｗｉｆｅｌｄｉｓ
ｃｔｄｃｕｌｔａｅｄｂｙｕｓｉｎｇｓｌｉｄｉｎｇｇｒｉｄｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｓｔａｎｄａｒｄｔｕｒｂｕｌｅｎｔｍｏｄｅｌａｎｄＥｕｌｅｒＭｅｔｈｏｄｔｏｅｓｔｂｌａｓｉｈｔｈｅ＿／２ｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ

搅拌浸出槽固液两相流场的数值模拟

ｔ对石煤提钒搅拌浸出槽进行流场模拟，用ＧＡＭＢＩＴ建立流场实体模型，采用ｋ－ｅ湍流模型、欧拉一欧
拉多相流模型、以及多重参考系法处理搅拌桨区。对搅拌槽在直桨式和旋桨式两种桨型下的流场以及装有挡板或导流筒
后的流场情况进行了比较研究，结果表明在同等条件下旋桨式搅拌桨搅拌效果较好，轴向速度比直桨式搅拌桨平均高出１２０％，在搅拌槽中设置挡板和循环筒有利于改善流场速度分布，从而加强混合效果，但挡板的改善效果更为显著。关键词：固液两相流；湍流；轴流
第２期２０１４年２月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ２ｌ５
搅拌浸出槽固液两相流场的数值模拟
吴宗武，孔建益，侯宇，王兴东
４３００８１）（武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉
ＷＵＺｏｎｇ — ｗｎ，ＫＯＮＧＪｉａｎ — ｙｉ，ＨＯＵＹｕ，ＷＡＮＧＸｉｎｇ — ｄｏｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕｂｅｉＷｕｈａｎ４３００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵｓｉｎｇＧＡＭＢＩＴｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｌｏｆｗｉｆｅｌｄｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｋ－ｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ，Ｅｕｌｅｒ－Ｅｕｌｅｒｍｕｈｉｐｈａｓｅｌｏｆｗ

液—固水力旋流器两相流动数值模拟研究进展

液—固水力旋流器两相流动数值模拟研究进展液—固水力旋流器广泛应用于各个行业，如石油化工、选矿、造纸、医药卫生、环境保护和食品等。

近年来，随着各工业领域的不断发展，对液固分离技术与装备提出了新的挑战和更高的要求同时，为了适应当今不断高涨的降低能耗的要求，目前迫切需要开发出高分离速度、高脱水度、高分离精度的高性能液—固分离技术然而，由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋流器的性能不仅周期长而且费用高，如果辅助以理论分析计算和流场模拟等方法来研究旋流器内部流体流动规律，以及结构尺寸变化对分离性能和压力特性的影响等，则可缩短研究周期和实验费用，具有重要的理论研究和工程应用价值。

液—固水力旋流器结构及工作原理图1所示为典型的液—固旋流器，主要由进料口、溢流口、底流口和器壁组成。

其工作原理为，当液体高速旋转受离心力作用时，轻相向轴心迁移，从溢流口排出，重相向壁面运动，由底流口排出，从而实现轻相( 液) 和重相( 固) 分离的目的。

图1 典型液—固旋流器两相流场数值模拟研究进展液—固水力旋流器中液固分离的问题在数值模拟中定义为液体和固体不相容的两相流问题。

由于液固两相之间的相互作用和每一相的运动，传热传质和反应等的影响，颗粒相的模拟基本分为两类：一类是Euler方法，该方法除将流体作为连续介质外，把颗粒群也作为拟连续介质或拟流体，设其在空间有连续的速度和温度分布及等价的输运性质( 粘性扩散导热等) ；另一类是Lagrange方法，该方法把流体作为连续介质，而将颗粒群看作离散体系，并以此来探讨颗粒动力学颗粒轨道等基于这两种方法，研究者采用了不同的模型对旋流器内的两相分离过程进行了模拟研究。

K T Hsien和R K Rajamani( 1991)根据颗粒的受力平衡，用代数逼近法求出固体颗粒的滑移速度和轨迹，P He，M Salcudean和I S Gartshore(1997 )分别用二维和三维模型计算了旋流器的分离效率。

搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算

搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算“搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算”是指对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，并使用建立的数学模型来计算该两相流系统所消耗的功率。

搅拌槽内固液两相流是指在一定的范围内，搅拌槽内同时具有液体和固体两种形态的物料。

搅拌槽内的液体物料流动的速度可以改变，而固体物料则不会流动，只能受到液体的拖拽而进行悬浮运动。

这种情况下，搅拌槽内的水流会被悬浮物扰乱，使得一般情况下搅拌槽内的流动形式非常复杂。

因此，要对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，首先要建立一个准确的数学模型，这一模型必须描述搅拌槽内的液体流动、固体悬浮运动以及固液间的相互作用。

具体来说，可以使用 Navier-Stokes 方程来描述液体的流动，而使用 Kynch 方程或者修正的 Kynch 方程来描述固体悬浮的动力学。

在建立好数学模型之后，就可以开始进行数值模拟。

可以利用计算机进行数值模拟，采用控制方程来求解建立的数学模型，以计算搅拌槽内的流动状态。

在进行数值模拟之前，需要根据实际情况进行一些网格划分，以便将复杂的流动过程分解成一系列相互独立的子问题，最终得到搅拌槽内流动的数值解。

最后，可以利用建立的数学模型来计算搅拌槽内的功率消耗。

功率消耗可以分为两部分：涡流功率和摩擦功率，前者是指液体流动对管道壁的拉力，而后者则是指液体流动与固体悬浮物之间的摩擦力。

可以利用建立的数学模型，计算出涡流功率和摩擦功率，最终得出搅拌槽内固液两相流的总功率消耗情况。

总之，“搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算”是指对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，并使用建立的数学模型来计算该两相流系统所消耗的功率。

这一过程中需要建立准确的数学模型，将复杂的流动过程分解成一系列相互独立的子问题，最终计算出搅拌槽内涡流功率和摩擦功率，以得出总功率消耗情况。