基于CFD软件的搅拌罐开发和优化

摘要搅拌罐在造纸、化工、石化、制药、食品加工和生物化工等领域有着广泛的应用。为了充分分析搅拌罐内的流动特性,本文在不同桨叶半径和不同转速下利用CFD软件选用多重参考系法对搅拌罐内的流动特性进行了数值研究,分析了桨叶半径和转速对搅拌罐内流动特性的影响。结果表明:通过模拟结果的比较得出选取合适的桨叶半径和转速才能达到最佳的搅拌效果。

关键词搅拌罐;数值模拟; 计算流体力学

0 引言

搅拌混合是化工工业过程中最常见,也是最重要的单元操作之一,其主要目的是加速体系传质或传热过程。对机械搅拌混合设备而言,机械能通过旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能,从而形成槽内的整体流动,完成传质及传热过程。

由于搅拌设备内流场的复杂性,对搅拌设备内流场的测量往往只能获得一些局部的信息,而且流场测量的实验装置一般比较昂贵,实验过程比较费时,造成成本较高,某些过程有时无法进行实验测量。近年来,随着技术的发展,利用数值模拟的方法获得搅拌罐内的流动与混合信息已经成为现实[1]。CFD技术可以计算在不同搅拌桨的型式、尺寸和离底距离等条件下,流场对混合、悬浮和分散等过程的影响。流动、能量耗散等的计算可视化,可以直观地了解槽内的混合情况,确定已存在系统中问题所在,并进行搅拌器的优化设计,消除死区,确定加料口位置等。

针对这个问题有几种不同的模型方法:黑箱模型法,内外叠代法,多重参考系法,滑移网格法,大涡模拟法等[2]。多重参考系法与滑移网格法的计算结果在稳态的模拟上,保持了较好的一致性[3-4],而前者节省了大约一个数量级的计算时间。因此,本文主要利用流体分析软件,采用多重参考系法对搅拌罐内流动混合过程进行分析模拟计算,分析不同桨叶半径和不同转速对搅拌罐内的搅拌特性的影响。

1 模型的建立和网格的划分

1.1 计算区域和网格划分

根据实际问题适当进行简化,本文采用一个二维模型来模拟搅拌问题,采用的是桨叶与排除流区的一个截面,本研究中使用多重参考系模型,搅拌介质为水,不可压缩牛顿流体,研究体系为定常流动。网格划分如图1所示。

边界条件:由于搅拌器的特殊结构,流体流动时没有主流区,即没有进、出口边界条件。在计算时只用到了多重参考系边界条件和固体壁面边界条件。边界条件如图1所示。