三层桨搅拌槽内三维流场的数值模拟.pdf

- 4 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 2 年7 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 7 ．0 1 1 三层桨搅拌槽内三维流场的数值模拟 逢启寿，邓华军 江西理工大学，江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要采用计算流体动力学 C F D 的方法，对稀土萃取过程中上两层为平直叶、底层为涡轮桨叶的三层 组合桨搅拌槽内三维流场进行了研究。利用标准的k - e p s i l o n 双方程模型对无机相 水 和有机相 P 5 0 7 的混合液在搅拌槽中产生的流场进行数值计算，得到这种搅拌粱以恒定转速3 0 0r ／r a i n 在搅拌 槽内转动时产生的速度场和压力场，以及速度分布云图、速度矢量图以及压力云图，为搅拌桨的设计与 改进提供理论基础。 关键词计算流体力学 C F D ；搅拌桨；流场；数值模拟 中图分类号T F 8 0 4 ．2 ；T F 8 4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 7 0 0 4 0 0 4 N u m e r i c a IS 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 d s G e n e r a t e db yT h r e e - l a y e rB l a d e si naA g i t a t i o nT a n k P A N GQ i s h o u ，D E N GH u a - j u n J i a n g x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，G a n z h o u3 4 1 0 0 0 ，J i a v ．g x i ，C h i n a A b s t r a c t C o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s C F D I m e t h o dw a su s e dt or e s e a r c ht h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l o w f i e l d ss t i r r e db yt h r e e - l a y e rb l a d e sw h i c hc o n s i s to ft w os t r a i g h tb l a d e sa n dal o w e rt u r b i n eb l a d ei na na g i r a t e dv e s s e I i nt h ep r o c e s so fr a r ee a r t he x t r a c t i o n ．S t a n d a r dk e p s i l o nt u r b u l e n tm o d e lw a su s e di nt h e c o m p u t a t i o n0 ff l o wf i e l d so fa q u e o u sp h a s ea n do r g a n i cp h a s e P 5 0 7 ．T h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ef i e l d si n a g i t a t i o nt a n kg e n e r a t e db yt h ei m p e l l e rr o t a t i n ga tac o n s t a n ts p e e do f3 0 0r ／r a i na r eo b t a i n e d ．T h ev e l o c i - t yd i s t r i b u t i o nc o n t o u r s ，v e l o c i t yv e c t o rp l o t sa n dp r e s s u r ec o n t o u r sa r ea c h i e v e d ．T h ea b o v er e s e a r c hc a n p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to fi m p e l l e r s ． K e yw o r d s c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s C F D ；i m p e l l e r } f l o wf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 在稀土萃取过程中，混合澄清器 搅拌槽 是应 用最广泛的设备，一般是用P V C 板焊接而成的箱式 结构。混合澄清器由混合室和澄清室组成，一个混 合室和一个澄清室构成一个混合澄清单元，即混合 澄清器的一级[ I ] 。在稀土萃取过程中，最常用的是 机械搅拌，即利用叶轮 搅拌器 旋转搅动液体实现 搅拌混合。国内外许多学者利用计算流体动力学 C F D 的方法对稀土萃取搅拌混合过程进行数值模 拟，研究了搅拌槽速度场和压力场的分布与变 化口“] 。本文在前人研究的基础上，采用C F D 的方 收稿E t 期2 0 1 I - 1 2 1 5 作者简介逢启痔 1 9 6 3 一 ，男，山东潍坊人，教授 法对混合室的三维流场进行了数值模拟，研究结果 对于搅拌桨的设计和实际应用具有重要的参考价 值。 1 搅拌桨与搅拌槽的几何模型 以工程应用为基础，利用四川1 西昌江铜稀土某 萃取车间的一种萃取混合澄清器和赣州有色冶金研 究所设计的三层桨叶结构的搅拌桨 图1 ，各层桨 叶跨距均为6 0c m ，底层桨叶距混合室底部3 0c m ， 上两层平直桨叶长1 4 0m m 、高6 0m m 、厚度6m m ， 万方数据 2 0 1 2 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 4 1 上两层圆盘直径7 2m m ，底层圆盘直径1 4 0m m ，搅 拌轴直径3 0m m ，搅拌桨以3 0 0r ／m i n 恒定转速旋 转。搅拌槽为图2 所示的箱式结构‘“，混合室的有 效容积为1 0 0L ，边长4 5 0m m ，总高度5 9 0m m ，有 效液面高度5 2 5m m ，无挡板。 图1 搅拌桨模型图 F i g ．1 M o d e lo fs t i r r i n gp a d d l e 图2 混合室和前室 F i g ．2 T h em i x i n gc h a m b e ra n da n t e c h a m b e r 2两相流混合液的物理特性 本次模拟以无机相 水 和有机相 P 5 0 7 的混 合液为工作介质。室温下P 5 0 7 的物性参数口1 ] 密 度9 4 5k g ／m 3 ，黏度0 ．0 3 6P a S ，热导率0 ．1 2 W ／ m K ，比热容12 0 0J ／ k g K ；水的物性参 数密度9 9 8k g ／m 3 ，黏度0 ．0 0 1P a S ，热导率0 ．6 0 W ／ m K ，比热容41 8 2J ／ k g K 。 3 数值模拟的方法 3 ．1 网格的划分和边界条件的设置 首先运用F l u e n t 的前处理软件G a m b i t 建立几 何模型，然后对模型进行网格划分。本文采用非结 构化网格技术对模型进行网格划分，对桨叶区及其 附近旋转流动区域的网格加密，以增加计算精度，整 个模型的网格数为1 5 90 0 5 个，节点数为3 16 8 7 个， 整个计算区域的网格如图3 所示。本文采用多重参 考系法 M R F ，搅拌桨的桨叶区及其附近旋转流动 区为旋转运动区，即设为M o v i n gR e f e r e n c eF r a m e ； 混合室其它区域为静止流体区域，即设为S t a t i o n a - r y 。箱体的四周和底面为W A L L ；搅拌桨叶以及搅 拌轴的外表面为W A L L ；内部旋转网格与外部网格 交界面为I N T E R F A C E ；液面为S Y M M E T R Y ；底 端为进口，设置为V E L O C I T Y j N L E T 。 图3 网格划分图 F i g ．3 G r i dd i v i s i o n 3 ．2 利用F l u e n t 求解器求解 本次模拟求解器采用压力基求解器，湍流模型 选用标准的女一e 双方程湍流模型‘”“，初始化后开 始迭代计算，迭代10 0 0 次，得到残差动态刚7 1 ，如 图4 所示。 I t e r a t i o n s 图4 迭代10 0 0 步时的残差图 F i g ．4 R e s i d u a lc h a r to f10 0 0s t e p si t e r a t i o n 万方数据 4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r mc a 2 0 1 2 年7 期 3 ．3 计算结果及分析 3 ．3 ．1 压力场 利用F l u e n t 提供的图形工具可以很方便地得 到压力云图，图5 为搅拌桨外表面的静压力分布云 图，由图5 可看出搅拌桨叶边缘的压力明显大于搅 拌轴附近的压力。 图6 a 为x 0 平面 即搅拌桨中间最大纵截面 的压力分布云图。图6 b 为z 一0 平面 即搅拌桨底 平面 的压力分布云图。比较图6 a 和图6 b 可知，底 端进口处的压力最小且为负值，远小于搅拌槽内其 它区域的压力，这样有利于料液从进1 2 1 抽送进混合 室，随着搅拌器的转动，料液在搅拌槽内形成了径向 流，使料液充分混合，正好符合实际生产的需要。 Y 瞧． ；8 j 1 5 c 0 2 Z 。I2 c 。 。1 2 lq 图5 搅拌桨外表面的静压力分布云图 F i g ．5 S t a t i cp r e s s u r ec o n t o u r sO Ht h eo u t s i d e s u r f a c eo fs t i r r i n gp a d d l e 33 B e l l 3 b 33 9 c - P f J 3 联 ㈣ 4 Q 8 c “1 2 3 0 7 z 0 2 1 1 2 e 0 2Z r - y _ 8 0 4 c “I l X 图6x O 平面 a 和z f f i O 平面 b 的压力分布云图 F i g ．6 S t a t i cp r e s s u r ec o n t o u r sO Ht h ep l a n eo fx - - - - O a a n dz 2 0 b 3 ．3 ．2 速度场 图7 为搅拌桨外表面的速度分布云图和速度矢胃网。 图7 搅拌桨外表面的速度分布云图 a 和速度矢量图 b F i g ．7V e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc o n t o u r s a a n dv e l o c i t yv e c t o r p l o t s b o nt h eo u t s i d es u r f a c eo fs t i r r i n gp a d d l e 由图7 a 可看出，搅拌桨附近的速度以搅拌轴为 中心，沿桨叶边缘逐渐增大，在桨叶边缘处达到最 大，并且以搅拌轴为中心，同一桨叶两侧的速度大小 近似对称分布。由图7 b 可清晰地观察到速度的矢 ， ZILX a 懈mmm懈mmm螂m椰mm懈m呲全三l址眦川m船脚挑㈨胁恤恤挑恤姗恤批孤№‰恤耋}怖‰埘 鲨■■■■■■■■● X Z j Y m ⅢM i i n niiiiiiii您搬№慨恤n帆叔恤m凇套}姗恤‰‰耋|弧胁‰孙 隘●■●●■●■■．●■_ X Z j 一 怕 卜 m M i MⅢ⋯⋯肿m m m M i i i i i i 惭撇№恍‰挑耋|糯嘛‰拙耋|m㈣他耋；№‰‰№ 3 _ 3 2 2 2 2 2 2l●●●●●H“i，j ～述■■●■●■■●●●■ 万方数据 2 0 1 2 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 4 3 量方向，可知槽内料液在搅拌桨的搅拌作用下形成 切向流。 图8 为z 一0 平面 即搅拌桨底平面 的速度矢 量图。 2 ‰ m _；冀娶；。』囊 I j k 一2 ￡ 缨 ≯ 圈8z 0 平面的速度矢量图 №8V e l o c i t yv e c t o rp l o t so nt h ep l a n eo fz O 由图8 可知，在水平截面上，离搅拌桨叶最近处 速度最大，在方形槽的四周速度最小，该区域内的料 液混合最不充分。 图9 为y 0 平面 即搅拌桨中间最大纵截面 上的速度分布云图和速度分布矢量图。 由图9 可知，离搅拌桨叶近的区域速度较大，靠 近方形槽壁的区域速度很小，以搅拌轴为中心，两侧 的速度场近似对称分布，这是由搅拌桨的对称性和 转速的恒定性引起的。 4结论 1 采用计算流体动力学 C F D 的方法对稀土萃 取搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟，运用F l u e n t 软件计算了槽内的压力场和速度场，得到了槽 内的速度分布云图、速度矢量图以及压力云图。 图9y O 平面的速度分布云图 U 和矢量图 b F i g ．9V e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc o n t o u r s a a n dv e l o c i t yv e c t o rp l o t s b o nt h ep l a n eo fy O 2 搅拌槽内的压力由槽中心向四周逐渐增大， 在槽壁附近达到最大，底端进口处的压力最小且为 负值，远小于搅拌槽内其它区域的压力，有利于料液 从进口抽送进混合室。 3 三层直叶涡轮搅拌桨主要产生径向流，径向 流具有强大的剪切和破碎效果，有利于料液的混合。 在搅拌桨叶边缘附近的径向流速度最高，在靠近槽 壁附近区域径向流速度很小，该区域的料液混合不 充分。 参考文献 [ 1 ] 唐谟堂，曹刿．湿法冶金设备[ M ] ．长沙中南大学出版 社．2 0 0 4 1 9 2 - 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