T型搅拌器数值模拟研究_牟童

本研究借助 于 计 算 流 体 力 学 软 件 ＦＬＵＥＮＴ，首 先 对 传 统的开启式涡轮搅拌器和圆盘式涡轮搅拌器进行数值模拟， 并与新型的 Ｔ 型搅拌器进行对比分析，分别计算在相同条 件 下三种不同桨型搅拌器的三维流场 特 性 和 搅 拌 功 率 ；其 次 改 变 Ｔ 型搅拌器在搅拌槽中的安装高度，确定在指定搅拌槽 尺
设置自由液 面 为 滑 移 壁 面 边 界 条 件 （Ｓｙｍｍｅｔｒｙ）［１１］，将 轴和叶轮定义 为 动 边 界 （Ｍｏｖｉｎｇ Ｗａｌｌ），所 有 槽 体、搅 拌 轴、 搅拌桨及挡板表面均采用无滑移壁面边界条件。其中搅拌 轴处于叶轮外区域 内，相 对 于 区 域 内 的 流 体 是 运 动 的；搅 拌 桨 处 于 流 体 区 域 ，相 对 于 周 围 的 流 体 以 相 同 的 转 速 运 动 。
收 稿 日 期 ：２０１３－１１－０２ 修 回 日 期 ：２０１４－０４－２８ 网 络 出 版 时 间 ：２０１４－０５－０７ 网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｏｉ／１０．１３４７６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｎｓｂｄｑｋ．２０１４．０３．０２０．ｈｔｍｌ 作 者 简 介 ：牟 童 （１９８８－），男 ，山 东 日 照 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 流 体 机 械 数 值 模 拟 方 面 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｔｓｅｕ＠１６３．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ：郑 源 （１９６４－），男 ，山 东 日 照 人 ，教 授 ，博 士 ，从 事 流 体 机 械 数 值 模 拟 及 故 障 诊 断 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｙｕａｎ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 数 值 模 拟
１．１ 搅 拌 槽 与 搅 拌 桨 基 本 尺 寸
搅拌槽内径 Ｄ＝８００ ｍｍ，挡 板 个 数 ４，挡 板 高 度 Ｗｈ ＝ ４００ｍｍ，挡板宽度 Ｗｂ＝６０ｍｍ，挡板厚度 Ｗｔ＝５ ｍｍ。 搅 拌 槽内液 面 高 度 Ｈ ＝６００ ｍｍ，Ｔ 型 搅 拌 器 距 底 面 高 度 ｈ＝２０ ｍｍ，转速ｎ＝２０ｒａｄ／ｓ，搅拌桨为三个 Ｔ 型 叶 片，叶 片 安 放 角 为９０°，叶片尺寸见 图 １，叶 片 厚 度ｔ＝２ ｍｍ，叶 轮 直 径 ｄ＝ ３００ ｍｍ，工 作 介 质 为 常 温 下 的 水 。
Ｔ 型搅拌器数值模拟研究
牟 童ａ，郑 源ａ，郑 建 坤ａ，毛 秀 丽ａ，张 新ａ，朱 延 涛ｂ
（河海大学ａ．能源与电气学院；ｂ．水利水电学院，南京 ２１１１００）
摘要：针对一种新型 Ｔ 型搅拌器，采用计算 流 体 动 力 学 （ＣＦＤ）软 件 ＦＬＵＥＮＴ，利 用 多 重 参 考 系 法 （ＭＲＦ）对 其 的 流 场进行数值模拟：首先分析对比了 Ｔ 型搅拌器与开 启 式 涡 轮 搅 拌 器 和 圆 盘 涡 轮 式 搅 拌 器 的 湍 流 强 度 、搅 拌 槽 内 流 场特性、时均速度分布和搅拌功率，结果表明 Ｔ 型 搅 拌 器 的 流 场 分 布 较 好，能 够 达 到 更 好 的 混 合 效 果；通 过 分 析 Ｔ 型搅拌器在不同安装高度下的搅拌特性，确定了指定搅拌槽尺寸情 况 下 最 佳 安 装 高 度 为 １５０ ｍｍ；最 后 计 算 了 不 同 叶片数 Ｔ 型搅拌器的湍流强度分布和搅拌功率，得知槽内搅拌功率随着叶片数的增加而增大，３叶片数的 Ｔ 型搅拌 器具有最优的湍流强度分布。本研究对分析和开发类似新型搅拌器有重要的参考意义。 关键词：Ｔ 型搅拌器；数值模拟；流场特性；搅拌功率 中 图 分 类 号 ：ＴＱ０５１．７ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２－１６８３（２０１４）０３－００８９－０６
１．３ 边 界 条 件 设 置
本研究采用多重参考系法（ＭＲＦ）进行模拟，它是一种 稳 态算法，计算量较小。其优点是不需 要 实 验 数 据 便 能 实 现 对 搅拌槽内流场的整体数值模拟，适用 于 叶 轮 与 挡 板 相 互 作 用 较小的体系。模 拟 时，把 整 个 计 算 域 分 为 两 个 区 域，搅 拌 叶 轮区域内的流体设置为与搅拌桨相 同 的 旋 转 速 度，而 叶 轮 外 区域内的流体设置 为 静 止 的，两 个 区 域 的 交 界 面 设 置 为 Ｉｎ 界 面 进 行 数 据 能 量 交 换， 保证计算过程中内外区域之间的相互耦合。
试 验 研 究 ·８９·
第１２卷 总第７２期·南水北调与水利科技·２０１４年第３期
寸情况下 Ｔ 型搅拌器工作的最佳安装高度；最后对不同叶 片 数的 Ｔ 型 搅 拌 桨 进 行 数 值 模 拟，分 别 计 算 ２ 叶 片、３ 叶 片、４ 叶片和６叶片 Ｔ 型搅拌器搅拌槽的湍流强度和搅拌功率，并 最后对模拟结果进行分析评价。
数值分析，在桨叶 参 数 实 体 化 模 型 的 建 立、搅 拌 槽 内 流 动 场 的数值模拟及桨叶的应力计算三方 面 都 取 得 一 定 进 展 ；河 海 大学郑建坤等［９］对 曲 面 型 叶 片 轴 流 式 搅 拌 器 进 行 了 数 值 模 拟研究，分析研究了不同扭角下曲面 型 搅 拌 器 槽 内 流 场 特 性 和搅拌功率。
搅拌设备在工业生产中应用范 围 很 广，尤 其 是 在 化 学 工 业中。化学工艺过程的种种变化，是 以 参 加 反 应 物 质 的 充 分 混合为前提的。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用 的。搅拌器的叶片形状对搅拌器的搅拌效果有着重大影响， 近 年 来 ，国 内 外 学 者 对 轴 流 式 搅 拌 器 的 微 观 混 合 做 ［１－２］ 了 大 量的研究工作，而对于一些新型搅 拌 器［３］的 研 究 和 开 发 并 不 多。目前，运用 ＣＦＤ 方 法［４］研 究 搅 拌 槽 内 的 三 维 流 动 特 性 已 经 得 到 了 广 泛 的 应 用［５－６］：清 华 大 学 王 展 等［７］进 行 了 一 种 新型搅拌桨的开发，并对 ＹＬ 搅 拌 桨 的 性 能、结 构、参 数 进 行 了评价；北京化 工 大 学 李 志 鹏 等［８］对 ＣＢＹ 搅 拌 桨 叶 进 行 了
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ Ｓｔｉｒｒｅｒ
ＭＯＵ Ｔｏｎｇａ，ＺＨＥＮＧ Ｙｕａｎａ，ＺＨＥＮＧ Ｊｉａｎ－ｋｕｎａ，ＭＡＯ Ｘｉｕ－ｌｉ ａ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎａ，ＺＨＵ Ｙａｎ－ｔａｏｂ （ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉｎａ； ｂ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ｎｅｗ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ（ＭＲＦ）ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍ－ ｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＬＵＥＮＴ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｍｅａｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉ－ ｂｕｔｉｏｎ，ａｎｄ ｍｉｘｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ，ｏｐｅｎ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔｉｒｒｅｒ，ａｎｄ ｒｕｓｈｔｏｎ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔｉｒｒｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ ｈａｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｍｉｘｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｅ ｍｉｘ－ ｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｓ １５０ｍｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｘｅｄ ｓｔｉｒｒｅｄ ｔａｎｋ ｓｉｚｅ．Ｔｈｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｍｉｘｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｂｌａｄｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｌａｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ ｗｉｔｈ ３ｂｌａｄｅｓ ｈａｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｎ ｉｍｐｏｒ－ ｔａｎｔ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｓｔｉｒｒｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｍｉｘｉｎｇ ｐｏｗｅｒ
图 ３ Ｇａｍｂｉｔ网 格 划 分 图 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｓｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｇａｍｂｉｔ
图１ Ｔ 型搅拌器叶片形状尺寸 Ｆｉｇ．１ Ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｓｔｉｒｒｅｒ
１．２ Ｇａｍｂｉｔ模 型 的 建 立 及 网 格 划 分
搅拌桨的模型如图２所示。首先是模拟计算安装高度为 １２０ｍｍ 的搅拌器，与相同叶轮半径的开启式涡轮搅拌器和圆 盘式涡轮搅拌器 进 行 对 比，开 启 式 涡 轮 搅 拌 器 与 圆 盘 式 涡 轮 搅拌器的具体参数 参 照《搅 拌 与 混 合 设 备 选 用 手 册》［１０］，搅 拌 器安装高度相同。开 启 式 搅 拌 桨 表 面 积 ６７ ２００ ｍｍ２，圆 盘 式 搅拌桨表面积６８ ８１６ｍｍ２，Ｔ 型搅拌桨表面积６９ ６００ｍｍ２；其 次是模拟叶片 安 装 高 度ｈ 分 别 为 １２０ ｍｍ、１３０ ｍｍ、１４０ ｍｍ、 １５０ｍｍ、１６０ｍｍ 和１７０ｍｍ 的 Ｔ 型搅拌器；最后是模拟计算２ 叶片数、３叶片数、４叶片数和６叶片数的 Ｔ 型搅拌器。