三維攪拌器數(shù)值模擬

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上攪拌器數(shù)值模擬1 引 言攪拌混合是一種常規(guī)的單元操作，具有廣泛的應(yīng)用背景，攪拌可以使物料混合均勻、使氣體在液相中很好地分散、使固體粒子(如催化劑)在液相中均勻地懸浮、使不相溶的另一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。作為工業(yè)生產(chǎn)中工藝過程的一部分，攪拌效果直接影響到其它后續(xù)生產(chǎn)過程。在利用超臨界流體對廢舊橡膠進(jìn)行脫硫的課題中，脫硫反應(yīng)釜中應(yīng)用四葉渦輪攪拌器加強(qiáng)脫硫劑對溶脹橡膠的滲透作用。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)及攪拌槳的速度矢量分布。2 攪拌器流場數(shù)值模擬2.1 四葉渦輪攪拌器solidw

2、orks建模四葉渦輪攪拌器槳葉直徑，葉片寬，厚，輪轂直徑20mm。三維模型建好后，保存為jiaobanqi.IGS文件。圖1四葉渦輪攪拌器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volume1。（2）建立攪拌槽模型本文采用平底圓柱形槽體，內(nèi)徑 ，槽內(nèi)液位高度； 攪拌器安裝在軸徑的攪拌軸上，槳葉中心線離槽底高度 。圖2 攪拌槽尺寸1）建立圓柱體模型，此模型作為攪拌器的動區(qū)域，圓柱體尺寸高為60mm，半徑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軸的平移量為

3、-20，得到volume2。2）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個圓柱體，分別為volume3，volume4，volume5，其中volume3無需平移，volume4沿Z軸平移-60，volume5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( Multi-Reference Frame, MRF )。即在計(jì)算時，將計(jì)算域分成兩大部分：一部分包含運(yùn)動的葉片，即轉(zhuǎn)子區(qū)，另一部分包含靜止的槽體，稱為定子區(qū)；兩個區(qū)域的計(jì)算分別采用兩個參考坐標(biāo)系來進(jìn)行，葉片

4、所在區(qū)域（轉(zhuǎn)子區(qū)）采用以葉片速度旋轉(zhuǎn)的參考系，另一部分區(qū)域（定子區(qū)）使用靜止參考系，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 多重參考系模型示意圖因此在建立Gambit模型時進(jìn)行布爾減操作，即將攪拌槽的整體分為轉(zhuǎn)子區(qū)和定子區(qū)兩部分，同時在轉(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)子區(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)子區(qū)與攪拌器相減，轉(zhuǎn)子區(qū)與攪拌軸下部相減。（4）網(wǎng)格劃分目前，在復(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)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。當(dāng)計(jì)算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)

5、形狀比較規(guī)則時，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，每一節(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)與其相鄰點(diǎn)關(guān)系則可依據(jù)網(wǎng)格編號規(guī)律自動得出，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)。當(dāng)計(jì)算區(qū)域比較復(fù)雜時，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，這時采用非結(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，由于一個節(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)信息必須對每一個節(jié)點(diǎn)都顯式地確定下來并加以存儲。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的這一特點(diǎn)對于網(wǎng)格的自動生成、自適應(yīng)處理及平行計(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

6、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，由于靠近攪拌軸，攪拌速度較快，因此轉(zhuǎn)子區(qū)網(wǎng)格需較定子區(qū)的網(wǎng)格密，因此網(wǎng)格間距改為1，其他條件與定子區(qū)網(wǎng)格劃分的條件相同。最后如圖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WALL。即攪拌器Name設(shè)為jbq-w，Type選擇WALL；攪拌軸分為上下兩個區(qū)域，靠近攪拌器的區(qū)域的攪拌軸Name設(shè)為shaft-down，Type同樣選擇WALL；另一區(qū)域的攪拌軸Name設(shè)為shaft-up，Type同樣選擇WALL。2）攪拌槽底部和側(cè)面都設(shè)為WALL，Nam

7、e為jbc-w；攪拌槽頂部為自由液面，因此Type選擇SYMMETRY，Name為jbc-top。3）攪拌槽中定子區(qū)和轉(zhuǎn)子區(qū)的交接面為轉(zhuǎn)子區(qū)的外表面，此表面處為兩層面重合，因此選用Type為INTERFACE，Name分別為in-1，in-2，in-3，out-1，out-2，out-3，分別代表轉(zhuǎn)子區(qū)外側(cè)，轉(zhuǎn)子區(qū)上表面，轉(zhuǎn)子區(qū)下表面，定子區(qū)與轉(zhuǎn)子區(qū)交界面的側(cè)面，定子區(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)體區(qū)域如上文所述攪拌槽整體區(qū)域分為轉(zhuǎn)子區(qū)和定子區(qū)，因此需對其進(jìn)行設(shè)置。將靜區(qū)域Name定為jing，動區(qū)域Name定為dong，Type都選為FLUID。（8）保

8、存Mesh文件，將網(wǎng)格輸出為為jbq.msh。專心-專注-專業(yè)2.3 Fluent求解計(jì)算以三維單精度( 3d )方式啟動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，檢查最小網(wǎng)格體積是否小于0,以便確定是否可直接用于 CFD 求解。選擇 GridCheck 命令， Fluent會自動完成網(wǎng)格檢查，同時報(bào)告計(jì)算域、體、面、節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)信息。若發(fā)現(xiàn)有錯誤存在， Fluent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

9、為m,改為Gambit默認(rèn)的單位mm；同時需把角速度angluar velocity的單位設(shè)置為rpm。3）依次點(diǎn)擊GridSwmooth/Swap Grid，分別點(diǎn)擊Smooth，Swap循環(huán)，直至Swap信息中出現(xiàn)Number faces 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)流動是穩(wěn)定的，轉(zhuǎn)子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相互作用，或只需要求系統(tǒng)的近似解的場合，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

10、。選則k-epsilon2eqn，k-e模型是最簡單的完整湍流模型，是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度。在Fluent中，標(biāo)準(zhǔn)k-e模型自從被Launder and Spalding提出之后，就變成工程流場計(jì)算中主要的工具了。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是個半經(jīng)驗(yàn)的公式，是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來的，主要是基于湍流動能和擴(kuò)散率。k方程是個精確方程，e方程是個由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k-e 模型假定流場完全是湍流，分子間的粘性可以忽略。標(biāo)準(zhǔn) k-e 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

11、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 方向上的重力加速度分量值為-9.81。（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)，而定子區(qū)內(nèi)的流體則是靜止的。槽內(nèi)壁面定義為靜止壁面條件，攪拌軸及槳葉設(shè)為運(yùn)動壁面，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，故需在時模擬計(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)的邊界條件時，由于攪拌過程中都隨攪拌器旋轉(zhuǎn)，因此選擇Momentum 下選擇Wall Motio

12、n 中的Moving Wall，而轉(zhuǎn)子區(qū)中的攪拌器和攪拌軸運(yùn)動條件的設(shè)置則是選擇Motion 下方的相對速度Relative to Adjacent Cell Zone 和轉(zhuǎn)動Rotational，保持Speed為0，即定義四葉渦輪攪拌器葉輪及轉(zhuǎn)子區(qū)的攪拌軸與鄰近的區(qū)城一起以300rpm的轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)動。定子區(qū)的攪拌軸選擇的運(yùn)動條件是絕對速度Absolute和轉(zhuǎn)動Rotational，Speed為300rpm。3）在定義轉(zhuǎn)子區(qū)時需選擇Motion中Motion Type 為Moving Reference Frame，即啟用MRF 模型， 在Rotational Velocity的Speed里輸

13、入300，即轉(zhuǎn)子區(qū)內(nèi)流體為水，且以300rpm的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。在定義定子區(qū)時流動形式則選擇Stationary。4）除定義以上邊界之外，還要定義交界面。點(diǎn)擊DefineGrid Interfaces，選擇轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子區(qū)與靜止定子區(qū)相交面（即在Gambit里定義的Interface邊界），設(shè)置3組即可，分別為in1-out1z1，in 2-out2z2，in 3-out3z3，這個設(shè)置是為了使兩個區(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，動量方程按一階迎風(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（Com

14、pute From all zones）。由于在穩(wěn)態(tài)條件下求解流動場，因此設(shè)定初始條件為 0 。3）設(shè)定收斂殘差。將各變量的收斂殘差設(shè)為，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）完成上述步驟的設(shè)置后，對文件進(jìn)行保存，保存文件為jbq.cas。5）開始求解。設(shè)定迭代步數(shù)為1000，進(jìn)行迭代計(jì)算，直至收斂。 6）設(shè)置觀測面。本次模擬觀測攪拌軸所在的Y-Z面、攪拌器所在的X-Y面上的攪拌速度云圖和速度矢量圖，設(shè)置X-Coordinate25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，有利于液體的快速循環(huán)流

15、動，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面為研究對象，在 時模擬計(jì)算，得到四葉渦輪攪拌器速度云圖和速度矢量分布圖。圖6 速度云圖從流場的模擬結(jié)果（圖6，以X-Coordinate25為觀測面）可以看出，攪拌器葉片射流處流體速度最高，隨著流動遠(yuǎn)離葉片，速度逐漸降低，葉片噴射出的流體進(jìn)入周圍大量低速運(yùn)動的流體中，卷吸周圍流體，并沿軸向和徑向擴(kuò)散。其中代表高速的為高亮度區(qū)域。高亮度區(qū)域的面積越大，速度云圖的分布范圍越廣，即說明攪動范圍越大，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。對定子

16、區(qū)域部分?jǐn)嚢栊Ч哪M不是特別理想，而且轉(zhuǎn)子區(qū)和定子區(qū)之間交界面明顯，分析原因可能是本次模擬過程中網(wǎng)格劃分不夠連續(xù)，網(wǎng)格質(zhì)量不夠高導(dǎo)致。之后的研究可以進(jìn)一步針對網(wǎng)格劃分進(jìn)行。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靠近攪拌軸的區(qū)域，以及攪拌槽壁面附近流體的速度較高，這是由于葉輪推動液體時，流體先沿徑向運(yùn)動，碰到攪拌槽避免后會分別向上向下流動，即沿軸向流動，從而導(dǎo)致攪拌槽附近的軸向速度較大，而向下流動的流體接觸到攪拌槽底部時會反轉(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)。圖8 徑向速度云圖從攪拌器的徑向速度云圖

17、（圖8，以Z為觀測面）中可以看出，在攪拌器的轉(zhuǎn)動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)動下，攪拌器周圍及兩葉片間的物料混合效果較好。圖9 速度矢量圖從速度矢量分布（圖9，以X-Coordinate25為觀測面）可以看出，四葉渦輪攪拌器呈現(xiàn)出對稱的雙渦環(huán)流場結(jié)構(gòu)，隔離區(qū)中心分別位于攪拌器的上下方，符合徑向流攪拌器特征。流體在葉輪出口處產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向運(yùn)動，在槽的底部和上部各產(chǎn)生一個循環(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)直接推動液體，形成主流，液流具有射流特征，卷吸周圍流體，周圍的流體稱為次流。中心速度隨徑向距離的增加而衰減，三個速度分量中以切向和徑向速度為主，軸向速度可以忽略。循環(huán)流區(qū)，由于主流的卷吸作用造成液體流動，總流量可達(dá)葉輪排出流量的幾倍。徑向速度很小，隨著遠(yuǎn)離葉輪，愈以軸向運(yùn)動為主。 從圖中可以看出槳葉下方靠近軸心區(qū)域流體出現(xiàn)反向流動，這一區(qū)域稱為誘導(dǎo)錐形區(qū)。速度矢量圖比較準(zhǔn)確地反映了攪拌器流場的速度分布狀態(tài)，對以后的實(shí)驗(yàn)有一定的參考意義。圖10 軸向速度矢量圖圖10為軸向速度矢量圖（以X-Coordinate25為觀測面），從圖中可以看出攪拌器下部速度較大，這是由于流體的卷吸作用造成的；攪拌器中心處軸向速度較小，沿著攪拌器的徑向軸向