不同搅拌参数的双层浆搅拌槽三维流场数值模拟.pdf

5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年7 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 鼯n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 7 ．0 1 5 不同搅拌参数的双层浆搅拌槽三维流场数值模拟 李志刚，贾慧芳，王健 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，南昌3 3 0 0 1 3 摘要运用F 1 u e n t 软件，采取多重参考系法 M R F 和标准} e 紊流模型对搅拌槽在水中产生的流场进行 数值模拟，分析了桨叶高度和转速对三维流场的影响，并对其宏观流动特性和时均速度分布进行详细对 比分析。结果表明，当上桨叶高度为12 0 0m m 、转速为19 0 9r ／m i n 2 0 0r a d ／s 时，搅拌效果最佳。 关键词搅拌槽；搅拌参数；多重参考系法；数值模拟 中图分类号T B l l 5文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 7 一0 0 5 4 一0 7 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fT h r e e d i m e n s i o n a lF l o wF i e l di nD i f f e r e n t S t i r r i n gP a r a m e t e r so fS t i r r e dT a n ko fD o u b l e ．f o l d e dB l a d e s L IZ h i g a n g ，J I AH u i f a n g ，W A N GJ i a n K e yL a b o r a t o r yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o nf o rC o n v e y a n c ea n dE q u i p m e n t ，E a s tC h i n a J i a o t o n gU n i v e r s i t y ，N a n c h a n g3 3 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef l o wf i e l do fs t i r r i n gt a n kp r o d u c e di nw a t e rw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yM u l t i p l eR e f e r e n c e F r a m e M R F a n ds t a n d a r d 肛et u r b u l e n tm o d e l ．T h ee f f e c t so fb l a d eh e i g h ta n dr o t a t i n gs p e e do nt h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l do fs t i r r i n gt a n kw e r ea n a l y z e d ．T h em a c r o s c o p i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n da V e r a g e d v e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nd e t a i LT h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u ms t i r r i n g e f f e c ti so b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fb l a d eh e i g h to f12 0 0m ma n dr o t a t i n gs p e e do f19 0 9r ／m i n 2 0 0 r a d ／s ． K e yw o r d s s t i r r i n gt a n k ；s t i r r i n gp a r a m e t e r s ；m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 搅拌槽广泛应用于化学工业、石油化工行业、生 物工程、制药工程、材料加工以及食品加工等领 域[ 1 1 。在搅拌槽中，旋转的搅拌桨与固定的挡板相 互作用，使槽内的流动呈现复杂的准周期性三维非 稳态湍流特性[ 2 ] 。s u z u k a w a 等[ 3 ] 用激光多普勒测 速仪对开启涡轮搅拌桨倾斜角度对桨叶处尾涡的影 响进行了研究。朱向哲等H 3 利用计算流体力学软 件，采用标准肛e 紊流模型，分析了非稳态情况下双 层涡轮桨搅拌槽内流体的三维紊流流场、紊流动能 及能量耗散，讨论了桨间距对流场、紊流动能及能量 耗散的影响。 收稿日期2 0 1 2 一0 1 2 9 基金项目江西省对外科技合作项目 2 0 1 2 1 B D H 8 0 0 1 6 作者简介李志刚 1 9 7 1 一 ，男，黑龙江呼兰人，副教授，博士 本文运用F 1 u e n t 软件，采取多重参考系法 M R F 和标准肛￡紊流模型对搅拌槽在水中产生的 流场进行数值模拟，并分析不同的搅拌参数 桨叶高 度、转速 对其三维流场的影响，并对其宏观流动特 性和时均速度分布进行详细对比分析。 1流体数学模型 假设1 搅拌槽内流体的时均运动为稳定流动， 忽略周期运动对流场内流体宏观运动的影响。2 流 体为连续、不可压缩的牛顿流体，搅拌槽内流动为各 向同性湍流。在圆柱坐标系下，通用状态参数西的 万方数据 2 0 1 3 年7 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 通用守恒方程式参考文献[ 5 ] 。 2C F D 数值模拟 2 ．1 几何模型 搅拌槽直径为1 ．5m ，其中V 形槽高0 ．8m ，圆 筒高3 ．om ，总高度为3 ．8m ，上下桨叶尺寸如图1 所示，上桨叶距离水面0 ．8m ，水面距搅拌槽顶部 o ．4m 。搅拌槽的几何模型见图2 。． 图1 上下桨叶尺寸 F i g ．1 S i z eo fu p p e ra n dl o w e rb l a d e 图2 搅拌槽几何模型 F i g ．2 G e o m e t r i c a lm o d e lo fs t i r r i n gt a n k 2 ．2 网格划分及边界条件设定 将搅拌槽模型导入G a m b i t 软件中，采用非结 构化三角形划分其网格，为了计算精度以及加快计 淄懑 算速度，流动区域和静止区域网格尺寸大小都设 置为3 0m m 。运用F 1 u e n t 软件，采取多重参考系 法 M R F [ 6 ] ，桨叶及附近流体区采用旋转坐标系， 其它区域采用静止坐标系，并采用标准h 紊流模 型对搅拌槽在水中产生的流场进行数值模拟分 析。 3不同桨叶高度对流场分析 3 ．1 宏观流动特性分析 3 ．1 ．1 铅垂面速度场对比 为了分析桨叶高度对搅拌槽流场的影响，现选 取上桨叶高度分别为1o O o 、12 0 0 和15 0 0m m ，将 桨叶区域流体旋转速度都设置为14 3 2r ／m i n 1 5 0 r a d ／s ，分析其宏观流动特性。其铅垂面速度矢量 图见图3 。 蔑琴 豢蓬 ‘零澄害、鏊溪。 藏爹 争x ’鬻豁j 图3 不同上浆叶高度铅垂面速度矢量图 F i g ．3 V e r t i c a lp l a n eV e l o c i t yV e c t o ro fd i f f e r e n th e i g h to fu p p e rb l a d e s 了罗 咎 瓣燃燮黼黧懋嬲 _ 疆霉i 辫凌爨黉懿滋誓■■ 瓣lll辫瓣瓣黧辫 ．疆纛。黪罐蒸瓣凌婆-■一辫器麟黼搿黼鼎搿粼删踟1’l二lm“5tmm3置玉互●L氆03■I羹鬻一瓣遴嚣鬻逡誓■■ 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年7 期 由图3 a 可知，上桨叶上下只形成了一个单环流 漩涡。上桨叶下方的速度较大，速度变化较大，上桨 叶上方流场变化不大，搅拌混合效果不佳，不利于搅 拌槽的运用。由图3 b 可知，上桨叶的上下各形成了 两个双环流漩涡，上方的漩涡较下方的大得多，速度 变化不快，变化较均匀，大水体上下流场混合较充 分。由图3 c 可知，上桨叶的上下各形成了两个双环 a l 【 【】| 0 l m 流漩涡，上下漩涡形状几乎相等。可见，随着桨叶高 度的增加，上桨叶根部的流场速度变化不是很大。 3 ．1 ．2 水平面速度场对比 为了分析上桨叶高度对搅拌槽在水平面流场的 影响，选取上桨下方2 0 0m m 处的截面进行分析。 图4 为其水平面速度矢量图。 c l5 0 0 “ 图4 不同上浆叶高度水平面速度矢量图 F i g ．4 H o r i z o n t a Ip l a n eV e I o c i t yV e c t o ro fd i f ￡e r e n th e i g h to fu p p e rb l a d e s 从图4 a 可看出，截面处流场受上下桨的转动相 当明显，其轴向速度较大，尤其是桨叶边缘处的速度 较大，中心处的速度则相对较小。从图4 b 可看出， 在靠近大水边缘的部分，其轴向速度较大，说明其上 下水域流场混合明显。从图4 c 可知，在靠近大水边 缘的部分，其轴向速度较小，说明其上下水域几乎是 相对独立的区域。 3 ．2 时均速度分布 3 ．2 ．1 轴向速度对比 为了分析上桨叶高度变化时搅拌槽的时均速度 分布，需要将其直线上的轴向速度图、周向速度图、 径向速度图进行对比，分析其在各点处的速度变化。 图5 是上桨叶高度变化时搅拌槽的z o ．5m 、 z om 、y o ～1 ．5m 的直线上的轴向速度分布图。 规定其轴向速度方向与Y 轴相同时为正，反之，则 为负。 0 ．40 ．6O ．81 ．0l - 2L 41 ．6 p o s i n O “m b l2 0 0 m m p o s i 廿o I l ，m c l5 0 0 m m 图5 不同上浆叶高度轴向速度分布图 F i g ．5 A x i a lV e l 眦i t yp m a l eo fm f f e 他n th e i g h to fu p p e rb l a d 骼 由图5 可知，其轴向速度从零点开始，先开始上 升，然后小幅下降，再上升到峰值，然后逐渐下降到 零点以下，再缓慢上升到零点左右，最后再次下降到 最低点。 3 ．2 ．2 周向速度对比 图6 是不同上桨叶高度时搅拌槽在z 一0 ．5m 、z 一0 m 、y o ～1 ．5m 的直线上的周向速度分布图。规定其周 向速度方向与旋转方向相同时为正，反之，则为负。 搿瓣辫糌瓣群麟戤戤潞州雌褰鬻黼戮戮戳戤雕 HH*H州赳*HHH叶叶叶HHHm札H*|r 躺粼黼Ⅲ搿麟辫黜羰黼拦 a ＆7 7 766554433322●】843 纛黼黼瓣囊蠹、女瀵麟蕊鏊鬟蘧蠢● HHHHHHHⅥHHHHHH*H赳*叶7|黼躺躺黔搿躐搿鼎猫搿州8877766ji4i2{843 ■疆熬孵赫浚鼗麟黪瓣■■ l’∞．目，誊『18一o 万方数据 2 0 1 3 年7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 ， k ● g 釜 8 冒 a lo o m m ， k ● 吕 蚤 8 面 p o s i b o I l ，m b l2 0 0 I n m 图6 不同上浆叶高度周向速度分布图 F i g ．6 C i r c u m f e 仲n t i a lV e I o c i t yp r o f i l eo fd i f f e r e n th e i 曲to fu p p e rb l a d 鹤 由图6 可看出，在y 0 ．4 5m 处的周向速度从 零点开始急速上升到达峰值，再逐渐下降到零点左 右。从图6 c 可看出，在y 一0 ．8 ～1 ．2m 处的周向速 度一直为零，在y 一1 ．2 ～1 ．5m 处的周向速度急速 上升。说明上桨叶高度为15 0 0m m 时搅拌区域分 ， k ● g 蚤 ‘8 旦 p o s i d o n ，m a 1 0 0 0 m f ， 鲁 ≤ 菪 旦 芏 成了两个独立的区域，不利于搅拌混合。 3 ．2 ．3 径向速度对比 图7 是不同上桨叶高度时搅拌槽在z o ．5m 、 z 一0m 、y 一0 ～1 ．5m 的直线上的径向速度分布图。 p o s i n o n ，m b l2 0 0 1 1 1 I n 图7 径向速度分布图 F i g ．7 R a d i a lV e l o c i t yp r o f i l e 由图7 a 、7 b 可知，其径向速度从零点开始先小 幅下降，然后上升到峰值，再下降到零点以下。然后 再次上升到峰值，然后再次下降到零点左右。从图 7 c 可看出，其径向速度从零点开始先小幅下降，然 后上升到峰值，再下降到零点以下，然后又缓慢增 大，到y 一1 ．3 5m 以上时，开始急剧增大，在了 1 ．5 m 时达到最大值。 4不同转速的流场分析 为分析转速对搅拌槽三维流场的影响，将桨叶 区域流体旋转速度分别设置为9 5 5 、14 3 2 和19 0 0 r ／m i n 即1 0 0 、1 5 0 和2 0 0r a d ／s ，同时将上桨叶高 度设置为12 0 0m m ，分析其宏观流动特性和时均速 度分布。 4 ．1 宏观流动特性分析 4 ．1 ．1 铅垂面速度场 为了分析转速对铅垂速度场的影响，特在Z o 截面处截面，以分析转速变化期间，铅垂速度场的变 化趋势。图8 是其铅垂面速度矢量图。 从图8 可看出，浆叶叶片端部的水流随着桨叶 的转动迅速向边缘流动，向挡板和壳体冲撞，一部分 沿着壳体内壁向上流动，另一部分则沿着内壁向下 流动，变成径向水流流到叶片的根部。上桨的上下 方各形成了两个漩涡，浆叶叶片端部水流的速度方 向与叶片的轴线方向相同。随着转速的增大，铅垂 速度的数值逐渐增大。 4 ．1 ．2 水平面速度场 为了对比转速变化对水平面速度场的影响，所 以三种搅拌槽均在y 一1 ．2 5m 截一水平面，然后分 析在这个水平截面处的速度场变化，结果见图9 。 一 一 一 一 ∞∞m o m册；；}柏o 万方数据 5 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年7 期 删 * ∞。r k } 州 l 沫{ I ；e “ 1 ．{ 1 州 I 。。{ 盯e “ l i ．jJ } 虹“ l 瀵；黜 】 震 矗蚴 ；；薹萋1 i 川 酬 删 孙洲 3 葡e 椰i 蠢 爨鬻 鬈骥黪 濑 f a 1 r a d ，s f a 、1 0 0 m d ，s 餐 篓躲 删 鬻i 山l ‘州} l “I i e “l l j Z l 州 1 瓣j 2 吣 】 囊蓊 嚣嚣2 n 葩“】I 鋈戮 m 1 5 } r a d ，s 囊{ 麓i ≯． 霹躐谶j i 豢缫㈠囊颦骖 鍪熊 图8 不同转速时的铅垂面速度矢量图 j ’o 巷 c i ，，’，鼻0 、 遵； 静 懑 { 螬备。 f c l2 X r a d ／s F i g ．8 V e r t i c a lp l a n eV e l O c i t yV e c t o ro fd i f f e r e n tr O t a t i n gs p e e d 囊黧 ％＆l i e “ j Z { o “ 1 荔勰；{ 斟 b l S 0r a d ，s 图9 不同转速的水平面速度图 删 * ia 洲“ j Z ；e “ 】 ，t 赫j 1 4 0 “ l 鬟懑 誊粼 一徽 c 2 0 0 m d ／s F i g ．9 H o r i z o n t a lp l a n eV e l o c i t yV e c t o ro fd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d 图9 表明，三种搅拌槽的矢量轮廓几乎都一样。 转速越高，在水平面上的径向速度和周向速度的数 值就越大。由此可知，转速对水平面速度的影响较 明显。 4 ．2 时均速度分布 ， k ● g 三 p o s i t i o T l ，m a 110 【 r a d ，s ， k ● 吕 ≮ ’g 旦 4 ．2 ．1 轴向速度对比 图1 0 是不同转速时搅拌槽在z o ．5m 、z o m 、y o ～1 ．5m 直线上轴向速度分布图。规定其 轴向速度方向与Y 轴相同时为正，反之，则为负。 O ．40 6O ．81 ．O1 ．21 ．41 ．6 p o s i t i o I l ，m m 1 5 0r a d ，s 图1 0 轴向速度分布图 F i g ．1 0 A x i a lV e l o c i t yp r o f i l e 从图1 0 a 、1 0 c 可看出，三种搅拌槽的轴向速度 分布曲线基本一致。当转速增大以后，速度先减小， p o s i t i o n ／m c 2 0 0 m d ，s 下起伏。从图1 0 b 可看出，其轴向速度先上升到峰 值以后，再减小到零点以下，然后上升到零点左右， 然后上升到峰值以后再次下降到零点左右，最后上 最后上下起伏。 麟爹≯黪鬟； 、一 一。 一 一 * 。 K ；露 一 一 万方数据 2 0 1 3 年7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y Lb g r i m m ．c n 5 9 4 ．2 ．2 周向速度对比 图1 1 是不同转速时搅拌槽在z o ．5m 、z o m 、y o ～1 ．5m 的直线上的周向速度分布图。规 p o s i t i o “m a l o r a d ／s 定其周向速度方向与旋转方向相同时为正，反之，则 为负。 p o s i t i o “m c 2 0 0 f a d ，3 图1 1 不同转速的周向速度分布图 F i g ．1 1 C i r c u m f e r e n t i a l V e l o c i t yp r o f i l eo fd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d 图1 1 表明，三个模型的速度轮廓几乎相同，说 明转速对周向速度的影响仅表现在数值的变化上， 而对流场的影响不是很大。 p o s i t i o I l ，m a 11 0 0 m d ，s 4 ．2 ．3 径向速度对比 图1 2 是不同转速时搅拌槽在z o ．5m 、z o m 、y O ～1 ．5m 的直线上的径向速度分布图。 b 1 5 r a d ，8 图1 2 不同转速的径向速度图分布图 F i g ．1 2 R a d i a lV e l o c i t yp r o f i l eo fd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d 对比图1 2 a 、1 2 c 可知，其速度变化趋势是一样 的，但速度的数值却随着转速的增大而增大，两个峰 值是在桨叶上的点。从图1 2 b 可看出，其周向速度 从零点开始上升，到达下桨面上时，达到第一个峰 值，然后逐渐下降，当到达上桨时，到达第二个峰值， 再往上升时，速度逐渐下降。 5结论 1 随着上桨高度的上升，上桨周围的流场由“单 环流”逐渐变化为“双环流”，速度极值均出现在桨叶 端部。当上桨高度过高时，会形成两个独立的搅拌 区域，不利于搅拌，搅拌效率也不高。 2 随着转速的增大，对水平面的周向速度和径 向影响较为明显，轴向速度则变化不大。随着转速 的增大，对流场轮廓的影响不大，仅表现在各点的速 r c 2 0 0r a d ，8 度数值变化。 3 当上桨叶高度为12 0 0m m 、转速为19 0 9 r ／m i n 2 0 0r a d ／s 时，搅拌槽内上下和内外水流能 够更好地交换，搅拌效果最佳。 参考文献 [ 1 ] 梁瑛娜，高殿荣．双层直斜叶及其组合桨搅拌槽三维流 场数值模拟[ J ] ．机械工程学报，2 0 0 8 ，4 4 1 1 2 9 0 一2 9 8 ． [ 2 ] K r e s t as ． T u r b u l e n c ei ns t i r r e dt a n k s a n i s o t r o p i c ，a p p r o x i m a t ea n da p p l i e d [ J ] ． T h ec a n a d i a nJ o u r n a lo f C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 8 ，7 6 5 6 3 5 7 6 ． [ 3 ] s u z u k a w aK ，M o c h i z u k is ，0 s a k aH ．E f f e c to ft h ea t t a c ka n 9 1 eo nt h er o Ua n dt r a i l i n gv o r t e xs t r u c t u r e si na n a g i t a t e dv e s s e lw i t hap a d d l ei m p e l l e r [ J ] ．c h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 6 ，6 1 2 7 9 1 2 7 9 8 ． [ 4 ] 朱向哲，苗一，谢禹钧．双层涡轮搅拌桨三维流场数值模 O O 0 0 0 O O 0 0 3 2 。 _ ≈o 卅 踯m∞∞∞∞舯m o o 万方数据 6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年7 期 拟[ J ] ．石油化工设备，2 0 0 5 ，3 4 4 2 6 2 9 [ 5 ] 王振松，李良超，黄雄斌．固一液搅拌槽内槽底流场的 [ 6 ] 逢启寿，邓华军．三层桨搅拌槽内三维流场的数值模拟 C F D 模拟[ J ] ．北京化工大学学报自然科学版，2 0 0 5 ，[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 7 4 0 一4 3 ． 昆明路博润矿业科技开发有限公司 专业生产置换锌粉及电解电积添加剂的供应商 金银提炼专用置换锌粉、置换助剂、添加装置 高纯度高活性、置换率高、置换成本低，金泥含金品位高 铅锌湿法冶金工艺净化专用锌粉及砷盐、锑盐 比表面积大，纯度高，在净化除杂中避免镉的返溶，降低净化成本 金属电解电积工艺专用明胶、添加剂及溶胶装置 可使产品更加平整、致密，提高产品质量，易于剥离，减少电解槽酸雾 地址云南昆明国家高新技术产业开发区海源中路和成国际B 座 电话0 8 7 1 6 6 9 2 5 8 9 9 6 6 5 2 6 6 0 81 3 5 2 9 2 1 6 0 0 8 邮编6 5 0 1 0 6 万方数据