基于FLUENT的搅拌设备内部二维流场数值模拟研究

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【摘 要】本文采用fluent对搅拌设备内部的流场分布进行二维数值模拟，分别讨论了不同搅拌器尺寸及转速对流场分布的影响。通过模拟得到：搅拌器的尺寸和转速的增大有利于搅拌的混合均匀，但需要考虑各种因素的影响，确定在合适的尺寸和转速。

【关键字】Fluent 搅拌器；数值模拟

序言

搅拌器又称搅拌桨或叶轮，它是搅拌设备中一个很重要的部分，通过自身的旋转把机械能传递给流体，一方面在搅拌器附近区域的流体造成高湍流的充分混合区，另一方面产生一股高速射流推动全部液体沿一定途径在罐体内循环流动，从而使得溶液中的气体、液体甚至悬浮的颗粒得以混合均匀，达到强化传质和传热的作用。

但是搅拌器的选型受介质的粘度、密度和腐蚀性、反应过程的特性以及搅拌效果和搅拌功率的要求的影响，另外搅拌槽内流动场非常复杂，目前对这列复杂反应器设计的主要依据为搅拌槽内的宏观流动特性，如功率消耗、排出流量、桨叶叶端线速度等。研究者对搅拌槽内宏观特性进行充分的研究，可以给出定性化判据和标准，但其经验性较强，依赖于小规模实验结果，不能预测真实过程中各种场及搅拌槽内过程特性，因此很难向几何参数、操作条件不同的过程推广【1】。

利用CFD技术能够模拟不同形式桨叶、尺寸、转速和离底距离等条件下，流场对混合、悬浮和分散过程的影响，能够直观显示其内部的流动情况，可以为搅拌器的优化设计做指导。

1.数学建模

控制方程：

（1）连续性方程

（2）运动方程

2.数值模拟过程

搅拌过程中的混合、传质与传热，影响的因素很多，主要包括搅拌器的类型、尺寸及转速，流体的粘度等，本文以十字型搅拌器作为例，对不同尺寸和转速下的搅拌设备内部的流场进行模拟，从而得到各个因素对搅拌设备内部流场分布的影响，其参数为：外筒直径1000mm，搅拌器直径400-520mm，转速0.5rad/s-2rad/s。

（1）模型建立

利用gambit建立简化后的二维模型，模型如图所示，整个计算区域分成区域1和区域2（如图1所示），其中区域1为外圆和内圆组成，区域2由内圆和十字搅拌器所组成。区域1采用四边形的结构化网格划分，区域2采用非结构化网格划分，最终得到整个计算区域的网格划分图（如图2所示）。

（2）边界条件

边界条件：搅拌设备外筒和搅拌器的十二条边界设定为wall，内圆设定为interface。

（3）求解方式

利用fluent二维精度求解器，对整个计算模型进行求解，控制方程使用有限体积进行离散，采用一阶迎风格式。控制方程采取分离式求解器隐式方案进行求解，选用SIMPLE算法。

针对搅拌罐内的流动和混合情况，可以用黑箱模型法、内外迭代法、多重参考系法（MRF）、滑移网格法、大涡流模拟法等，本文采用多重参考系法（MRF）来求解，能够实现搅拌罐内流畅的整体数值模拟，不需要实验辅助，稳态算法，计算工作量小，适合预测桨叶与挡板相互作用较小的体系。

3.模拟结果及分析

（1）搅拌器尺寸对流场分布的影响

不同的搅拌器尺寸会对搅拌效果产生不同的影响，本文以搅拌器转速为1rad/s为例，分别给对搅拌器直径为400mm、440mm、480mm以及520mm进行数值模拟，并分别给出速度场分布云图速度矢量分布云图。

a.速度场分布

从以上四种不同半径桨叶的速度分布云图可以看到，随着搅拌器半径的增大，整个搅拌设备内的流场分布越均匀，流体混合越充分，能更好的达到强化传质和传热的作用。

b.速度矢量分布

从图7至图10可以看到，随着直径的增大，速度在搅拌设备内的分布越来越好，使得在各个区域的速度都达到同步，但对于同一个容器来说，并不是搅拌器直径越大就越好，增大直径后，一是增加成本，二是会对安装带来麻烦，三是会增加其本身的受力，从而会降低其使用寿命，因此需要考虑各种因素的影响，选择合适的搅拌器直径。

（2）转速对流场分布的影响

根据上面模拟的结果，可知：在转速一定的情况下，搅拌器直径的越大，其对流体混合的效果越好，因此选取搅拌器直径为520mm的模型，研究在此尺寸下，不同转速对搅拌设备内部流场分布的影响。

a.速度场分布

从图11、图12、图13以及图14这四个图来看，随着转速的提高，搅拌器对整个搅拌设备内的搅拌混合效果也明显得到增强，流场分布比较均匀，但是转速的提高对搅拌器以及搅拌轴结构的力学性能提出更高的要求，会增大电动机的功率，增加能耗，同时也增大了搅拌器受力，需要重新设计尺寸，因此需要选择合适的转速。

4.结论

采用CFD能够直观显示搅拌设备内流场的流动情况，MRF模型能够准确地模拟出搅拌设备内的流场。搅拌器的尺寸和转速的增大有利于搅拌的混合均匀，其尺寸受槽体结构以及工艺要求的限制，转速受搅拌器结构尺寸的限制，要综合考虑各种因素的影响，选择最合适的尺寸和转速。