雙層六直斜葉交替渦輪槳攪拌槽流場的數(shù)值模擬

雙層六直斜葉交替渦輪槳攪拌槽流場的數(shù)值模擬

0攪拌槽內(nèi)的流場模擬目前，不同結(jié)構(gòu)和規(guī)模的機械攪拌槽廣泛應(yīng)用于化工、化工、生物工程、制藥工程、材料加工、食品加工等領(lǐng)域。國內(nèi)外很多研究人員采用試驗測量、理論分析和數(shù)值計算的方法,對攪拌槽內(nèi)的時均流速、湍流流場波動(湍流強度)、耗散率及湍流時空尺度在內(nèi)的流場特性等進行了廣泛的研究,獲得了多種結(jié)構(gòu)攪拌槽內(nèi)比較完整的速度場和湍流流場方面的信息。毛德明等利用二維激光多譜勒測速儀對盤形渦輪槳(Discturbine,DT)和斜葉渦輪槳(Picthedbladeturbine,PBT)攪拌槽流場進行了測試,獲得了不同幾何參數(shù)的葉輪在不同工況下的二維時均速度場和湍流強度場。侯拴第等先是利用一維恒溫熱膜風(fēng)速儀測量了7種不同攪拌槳—槽體系中流體的時均速度、脈動速度、能譜函數(shù)、微分尺度以及湍流耗散等,對螺旋槳攪拌槽內(nèi)湍流參數(shù)分布進行了詳細的描述。隨后又利用k-ε湍流模型、“黑箱”模擬方法先后對螺旋槳攪拌槽、斜葉渦輪攪拌槽內(nèi)的流場進行了二維、三維數(shù)值模擬,定性地描述了不同條件下的宏觀流動特性,并與前期的試驗結(jié)果有較好的吻合。丁文蘊等采用酸堿中和法、飽和KCl溶液示蹤劑法測定了多層槳攪拌過渡區(qū)的混合時間,應(yīng)用電導(dǎo)率法測定了湍流區(qū)的混合時間,研究了槳葉安放角、槳徑、層間距、攪拌雷諾數(shù)和槳型對混合特性的影響規(guī)律。周國忠等采用滑移網(wǎng)格法、RNGk-ε模型對六直葉渦輪攪拌槳的三維流場進行了數(shù)值模擬。隨后又嘗試利用k-ε模型計算假塑性流體羧甲基纖維素鈉水溶液在攪拌槽內(nèi)的三維流動場,并與粒子成像測速(Particleimagevelocimetry,PIV)法測得的試驗結(jié)果進行了比較。朱向哲等利用計算流體力學(xué)(Computationalfluiddynamiics,CFD)軟件,采用標準k-ε紊流模型,分析了非穩(wěn)態(tài)情況下雙層渦輪槳攪拌槽內(nèi)流體的三維紊流流場、紊流動能及能量耗散,討論了不同槳間距對流場、紊流動能及能量耗散的影響。苗一等采用FLUENT軟件,選用RNG標準k-ε模型及多重參考系法(Multiplereferenceframe,MRF)對雙層六直葉渦輪槳攪拌槽內(nèi)的混合過程進行了數(shù)值模擬,預(yù)測了不同加料點、監(jiān)測點位置及操作條件對混合時間的影響規(guī)律。隨后又采用電導(dǎo)法測定了攪拌槽內(nèi)不同類型單層槳和多層槳體系的混合時間。本文利用CFD軟件,采用Laminar層流模型對攪拌槽內(nèi)雙層六直葉、雙層六斜葉以及雙層六直斜葉交替渦輪槳在甘油與水的混合物中產(chǎn)生的流場進行數(shù)值計算,并將三者的宏觀流動特性和時均速度分布進行了詳細的對比分析,研究結(jié)果對層流攪拌槽的設(shè)計和實際應(yīng)用具有重要的參考價值。1葉輪直徑及間距利用CFD軟件對無擋板圓柱形平底有機玻璃攪拌槽內(nèi)甘油與水的混合物的層流流場進行數(shù)值計算。攪拌槽結(jié)構(gòu)如圖1所示,槽體直徑T=200mm,高H=350mm,液面高度h=300mm。轉(zhuǎn)軸直徑d1=16mm,葉輪圓盤直徑d2=60mm、厚度δ=5mm,葉輪直徑D=99mm,葉片規(guī)格為25mm×20mm×2mm。下層葉輪距槽底h3=75mm、上下層葉輪間距h4=95mm。雙層六直葉渦輪攪拌槳、六斜葉渦輪攪拌槳及六直斜葉交替組合攪拌槳的結(jié)構(gòu)如圖2所示。2計算網(wǎng)格剖面和值的步驟2.1面體網(wǎng)格的建立使用三維設(shè)計軟件生成葉片,導(dǎo)入計算軟件的前處理模塊中加入槽體,劃分網(wǎng)格。采用不同尺寸非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法:槳葉區(qū)采用較細密的四面體網(wǎng)格;槽內(nèi)其他區(qū)域采用尺寸稍大的四面體網(wǎng)格。以六直葉渦輪槳攪拌槽為例,如圖3所示,槳葉區(qū)網(wǎng)格單元數(shù)為389614+385934個,槽內(nèi)其他區(qū)域網(wǎng)格單元數(shù)為447699個。由于存在旋轉(zhuǎn)的動邊界和靜止的靜邊界,因此將整個計算域劃分成定子和轉(zhuǎn)子兩個子區(qū)域。旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止槽壁之間的耦合采用了MRF模型。2.2葉輪轉(zhuǎn)速s回收率用于模擬計算的工作介質(zhì)為甘油與水的混合物,其密度ρ為1250kg/m3,粘度μ為0.4Pa·s。流動中的雷諾數(shù)Re可由下式得到式中,n為葉輪轉(zhuǎn)速;D為葉輪直徑。本文取轉(zhuǎn)速n=200r/min,則計算得雷諾數(shù)Re=102,槽內(nèi)流動處于層流狀態(tài)。2.3旋轉(zhuǎn)軸實際控制策略以三維單精度方式啟動計算程序,將在網(wǎng)格劃分模塊中建好的物理模型及網(wǎng)格導(dǎo)入計算軟件求解器中,進行數(shù)值求解。檢查網(wǎng)格模型,采用穩(wěn)態(tài)隱式分離求解算法,選擇層流粘性模型。由于應(yīng)用MRF方法進行模擬,所以將動區(qū)域(即槳葉區(qū))內(nèi)的流體設(shè)定與攪拌槳相同轉(zhuǎn)速(200r/min)進行旋轉(zhuǎn),而靜止區(qū)域(即槽內(nèi)其它區(qū)域)內(nèi)的流體則是靜止的。攪拌槽壁面定義為靜止壁面邊界條件;攪拌軸和攪拌槳定義為動壁面邊界條件。其中攪拌軸處于靜止流體區(qū)域內(nèi),相對于區(qū)域內(nèi)流體是運動的;攪拌槳處于運動流體區(qū)域,且和周圍的流體以同樣的轉(zhuǎn)速進行運動,因此相對于區(qū)域內(nèi)流體是靜止的。因為要模擬的是層流攪拌流場,且上層槳槳葉距離自由液面較遠(112.5mm),可以認為對攪拌槽內(nèi)液面的攪動較小,在自由液面處液體幾乎沒有運動,因此對于自由液面,可以將其定義為對稱邊界條件,從而忽略其對整個混合過程的影響。而槳葉區(qū)與槽內(nèi)其他區(qū)域的分界面,經(jīng)網(wǎng)格劃分模塊中面粘結(jié)后,定義為內(nèi)部界面。設(shè)定控制求解參數(shù)為壓力:標準格式;壓力速度耦合:求解壓力耦合方程組的半隱式方法;動量:一階迎風(fēng)格式。設(shè)定初始條件為0。設(shè)定一定的迭代步數(shù),進行迭代計算,直至收斂。3計算結(jié)果的討論和分析3.1在宏觀流動特征分析中3.1.1攪拌槽結(jié)構(gòu)流場仿真對于六直葉渦輪攪拌槳,當層間距大于或等于半個攪拌槽直徑(h4≥T/2)時,每層槳各自產(chǎn)生上下兩個渦環(huán),導(dǎo)致攪拌槽內(nèi)有四個穩(wěn)定的渦環(huán),稱之為“平行流”。當層間距小于或等于三分之一攪拌槽直徑(h4≤T/3)時,攪拌槳的射流區(qū)的流線相互傾斜,并連接起來,由于兩槳的相互作用,產(chǎn)生了兩個大的渦環(huán),稱之為“連接流”。對于斜葉渦輪攪拌槳,由于其流場類似軸向流,故其產(chǎn)生“平行流”的層間距界限可增大至2T/3左右。考慮到本攪拌槽的實際結(jié)構(gòu)及特點,設(shè)置雙層槳層間距為95mm。計算所得的三種不同類型的攪拌槳結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的流場鉛垂面宏觀速度矢量圖、云圖如圖4、5所示。當攪拌槳布置于槽體中心時,會產(chǎn)生四渦環(huán)流場:上層槳上下各均布一個,下層槳上下各均布一個。由于T/3<雙層槳間距h4<T/2,上下層槳間的兩個渦環(huán)受到空間距離的制約,較“平行流”有連接的趨勢。從圖4a中可以看到,六直葉渦輪槳屬于徑向流攪拌槳,旋轉(zhuǎn)槳葉在葉輪區(qū)產(chǎn)生徑向射流,最大速度出現(xiàn)在葉片端部,因此葉輪端部附近的流動比較劇烈。葉片端部的水平射流在流動過程中夾帶周圍流體,迅速向攪拌槽邊緣擴展,撞擊到槽壁后,分成兩股,一部分沿槽壁向上流動,一部分沿槽壁向下流動,然后轉(zhuǎn)向成為徑向流回到葉片根部,再分別向下或向上流回葉輪區(qū),在每個葉輪的上下方各形成一個渦環(huán)。六斜葉渦輪槳所產(chǎn)生的流場介于徑向流與軸向流之間。如圖4b所示,雙層六斜葉槳葉端的合成速度不是水平的,而是向下傾斜的,尤其是在靠近攪拌槳處。在雙層槳上下所形成的渦環(huán)與六直葉槳相比向下移動了。這說明六斜葉槳的主體循環(huán)有軸流攪拌槳的特性。圖4c綜合了直、斜葉的流動特性,直葉片端排出的徑向射流受斜葉片影響不再水平,而斜葉片射流受直葉片影響與水平面的角度也有所減小。流場仍然還是四渦環(huán)流動模式。圖5a～5c中的速度云圖清晰地描繪了三種攪拌槳宏觀的速度分布,其中代表高速的高亮度區(qū)域集中分布在葉片和葉輪的邊緣,這與前面的分析十分相符。3.1.2維對稱結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的速度場圖6、7分別為攪拌槽下、上層槳葉輪中心面上方17.5mm(z=20mm、z=120mm)處綜合速度云圖,從另一個角度剖析了攪拌槽內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)。由圖可以清楚看出,雙層六直葉、六斜葉槳所產(chǎn)生的速度場是對稱分布的;而雙層六直斜葉交替組合槳的速度場是非對稱分布的,但如果將相鄰的兩直、斜葉片看作一個組合葉片,則轉(zhuǎn)變成雙層三葉片槳,可以看出速度場總體還是呈軸對稱分布的。在速度大小方面,圖6a中代表高速的高亮度區(qū)域面積明顯要大于圖6b,圖6c則介于兩者之間。圖7也存在著相同的規(guī)律。圖6a、6b、6c中的高亮度區(qū)域面積大于圖7a、7b、7c中的,即攪拌槽下層槳上方的攪拌強度要高于上層槳上方的,這是因為下層槳上方17.5mm處受到上下兩層槳共同作用的結(jié)果。3.2雙轉(zhuǎn)臺五軸插裝式非織造結(jié)構(gòu)槳型在z=8080mm范圍內(nèi)的波谷t圖8～10分別展示了三種槳型攪拌槽中x=70mm、y=0、z從-75mm到225mm的直線上的軸向速度、徑向速度和周向速度曲線。文中軸向速度與z軸的正方向相同時為正,反之為負;徑向速度由攪拌槳指向槽壁方向為正,反之為負;周向速度與旋轉(zhuǎn)方向相同為正,反之為負。從圖8～10中可以看到,三種槳型的速度曲線較為接近。如圖8所示,在x=70mm處,沿z軸的軸向速度分布曲線呈波浪變化,有兩個波峰和兩個波谷。在槽的底部,軸向速度為零,之后,沿z軸向下(負的)的速度逐漸增大,在z=-50mm處,直斜葉交替組合槳獲得第一個向下(負的)最大軸向速度,為-0.03m/s;在z=-40mmm處,雙層六直葉槳獲得第一個向下(負的)最大軸向速度,為-0.041m/s;在z=-12mm處,雙層六斜葉槳獲得第一個向下(負的)最大軸向速度,為-0.03m/s。在軸向速度的第一個波谷過后,軸向速度迅速由向下變?yōu)橄蛏?即由負變?yōu)檎?,其值在增加。在下層槳上方z=12～15mm范圍內(nèi)出現(xiàn)了第一個正向軸向速度峰值,且直斜葉交替組合槳的最大正軸向速度最大,為0.06m/s,雙層六斜葉槳次之,為0.048m/s,雙層六直葉槳最小,為0.04m/s。在第一個波峰過后,軸向速度逐漸減小,并在z=80～90mm的范圍內(nèi)(這正是在上層槳附近)迎來軸向速度的第二個波谷。對于直斜葉交替組合槳負的最大軸向速度為-0.06m/s,雙層六直葉槳次之,為-0.05m/s,雙層六斜葉槳最小,為-0.04m/s,三種槳型下第二個波谷處最大的負軸向速度均大于第一個波谷。之后軸向速度又由負迅速變?yōu)檎?在上層槳上方z=150mm處迎來第二個波峰,三種槳型下第二個波峰的最大值均為0.42m/s。從第二個波峰位置到液面的這段距離內(nèi),軸向速度又逐漸減小,在液面處軸向速度變?yōu)榱?。上述分析表?雙層直斜葉交替組合槳的正負最大軸向速度值最大,比其他兩種槳型更利于流體的軸向攪拌和混合。圖9是x=70mm處,沿z軸的徑向速度變化曲線?？梢钥吹?三種槳型的徑向速度變化呈現(xiàn)出基本相同的波浪式變化規(guī)律。在槽的底部,徑向速度為零,在下層槳下方z=-75～-25mm的范圍內(nèi)徑向速度為負,這是渦環(huán)區(qū)之一,最大負的徑向速度出現(xiàn)在z=-45mm處,對雙層六直葉槳為-0.10m/s,直斜葉交替槳為-0.09m/s,雙層六斜葉槳為-0.08m/s。在z=-25mm～25mm范圍內(nèi),徑向速度為正,這正是在下層槳的上下附近,由于槳葉的作用使流體流向槽壁。三種槳型在z=-5mm～5mm范圍內(nèi)獲得徑向速度的最大值,雙層六直葉槳最大,為0.31m/s;雙層六斜葉槳和直斜葉交替槳基本相同,為0.275m/s。在上下兩層槳葉中間附近的兩個渦環(huán)區(qū)共同作用使得負的徑向速度最大,負的徑向速度最大值,雙層六直葉槳為-0.16m/s,直斜葉交替槳為-0.14m/s,雙層六斜葉槳為-0.12m/s。正向速度的第二個最大值出現(xiàn)在上層槳附近,其值與第一個正向最大徑向速度基本相同。在上層槳上方出現(xiàn)負向徑向速度的第三個峰值,這是上渦環(huán)區(qū)。從上渦環(huán)區(qū)到液面,徑向速度逐漸變?yōu)榱恪D10是x=70mm處,沿z軸的周向速度變化曲線?？梢钥吹?三種槳型的周向速度變化呈現(xiàn)出駝峰式的變化規(guī)律。在槽底周向速度為零,之后沿z軸正向周向速度逐漸增大,在下層槳邊緣出現(xiàn)速度的第一個峰值,雙層六直葉槳最大,為0.37m/s;直斜葉交替組合槳次之,為0.325m/s;雙層六斜葉槳最小,為0.31m/s。然后周向速度又逐漸減小,在上下兩層槳中間部位出現(xiàn)速度曲線的波谷,周向速度最小,雙層六直葉槳為0.16m/s,其余兩種槳型為0.125m/s。周向速度在上層槳邊緣處獲得第二個峰值,雙層六直葉槳與第一個峰值大致相同。直斜葉交替組合槳比第一個峰值大,為0.33m/s;雙層六斜葉槳比第一個峰值小,為0.30m/s。第二個峰值過后,周向速度又逐漸在減小,在液面處周向的速度已經(jīng)很小了,為0.01m/s。上述分析說明在轉(zhuǎn)速相同的情況下,雙層六直葉槳的周向速度大于其他兩種槳型。周向速度是使流體在攪拌槽內(nèi)作周向運動,大的周向速度對于攪拌和混合并不有利,反而會增加攪拌功率。綜合上述分析可知,在上下槳葉邊緣附近出現(xiàn)了兩個較大的正徑向速度,在下層槳下部、雙層槳間、上層槳上部出現(xiàn)了三個較小的負徑向速度。在數(shù)值上,正向速度要大于負向速度,雙層槳間的負向速度要大于下層槳下部和上層槳上部的。這說明由槳葉端部射出的徑向流碰撞槽壁后能量有所損失、回流速度有所減小;而雙層槳間兩渦環(huán)的回流合二為一,使得其徑向速度值較大。就整體的徑向速度值而言,直葉槳(徑流槳)最大,斜葉槳(類似軸流槳)最小,而組合槳則介于兩者之間。周向速度基本相對雙層槳的中間面(即z=60mm)對稱分布,極值也出現(xiàn)在雙層槳葉片邊緣附近,且隨著距槳葉距離的增大,周向速度逐漸減小,到達槽底和液面處幾乎減小為0?？梢钥吹?周向速度在速度的3個分量中是最大的,其中又以直葉槳最大、斜葉槳最小、組合槳居中。軸向速度最小,徑向速度略小于周向速度。這說明在攪拌過程中,槳葉使流體主要做圓周和徑向運動,徑向的混合能力要遠遠大于軸向的混合能力。圖11～13分別展示了三種槳型攪拌槽下、上層槳葉輪中心面上方17.5mm(即z=20mm、z=120mm)、y=0、x從-100mm到100mm的直線上的軸向速度、徑向速度和周向速度曲線。圖11是沿直徑方向的軸向速度分布曲線,可知雙層六直葉槳和雙層六斜葉槳的速度分布是左右對稱的,除葉片附近外,速度的變化趨勢和大小也很接近。在葉片附近,六斜葉槳的軸向速度大于六直葉槳,這是因為六斜葉槳具有軸流槳的特性。直斜葉交替組合槳