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郑州大学化工与能源学院
课程论文
题目名称：圆锥立式混合器数值模拟
专业：化学工程与工艺
姓名：
学号：
指导老师：
课程名称：工程计算方法及应用软件
圆锥立式混合器数值模拟
摘要：本文主要介绍应用Fluent软件对某一圆锥立式混合器的温度场的模拟，模拟中采用k —ε两方程模型，流体介质选用水，给定进口的速度，最后得出结论冷水进口速度增大，温度场分布不均性性增强，出口温度降低。

介绍了基本模拟步骤。

关键字：Fluent圆锥立式混合器温度分布进口速度模拟步骤
Cone vertical mixer numerical simulation
Abstract: this paper mainly introduces application of Fluent software in a cone of vertical mixer temperature field simulation, simulation of the k - epsilon two equation model, the fluid medium choose water, given the speed of import, conclusion the cold water inlet velocity increases, the temperature field distribution of sex, outlet temperature decreased. This paper introduces the basic simulation steps.
Key word：Fluent cone vertical temperature distribution in the mixer imported speed simulation steps
一、引言
混合是把任何状态（固态、气态、液态和半液态）下的物料均匀地掺和在一起的操作，混合就是减少组分非均匀性的过程，粉体的混合有多种运动形式，以对流混合为主，其粒子由一个空间位置向另一个空间位置的运动，或两种以上组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均匀，混合设备是利用各种混合装置的不同组构，使粉体物料之间产生相对运动，不断改变其相对位置，并且不断克服由于物体差异导致物料分层的趋势。

混合设备有很多类型，按其布置形式可分为立式混合机和卧式混合机；按工作方式可分为回转式和固定式；混合机按用途可分为固体混合机、液体混合机、固液混合机等类型；按混合时的持续性可分为连续式混合机和间歇式混合机。

连续式因为使用时要配套连续工作、计量准确的喂料设备，整个系统较为复杂，除非特殊情况，一般很少采用。

现以三维冷/热水混合器（圆锥立式混合器）为例分析其内部的流动和换热情况【1】。

圆锥立式混合器的特点是容器的外形呈圆锥形，内腔螺旋布置形式常见的有双螺旋对称、双螺旋非对称、单螺旋加螺带等。

此类混合机通过螺旋的自转和螺旋或螺带的周转不断地将物料搅拌、提升、散开、混合。

其特点是螺旋自转和周转的速度不高、混合动作柔和、摩擦少、无死角、残留量少，液体添加量可比普通的立式混合机多，比卧式混合机少。

制造成本比普通立式螺旋混合机高。

应用流体力学及CFD软件模拟研混合器内的温度场情况，在改变冷水入口速度工况观察不同情况下混合器内温度场分布，得出水入口速度对混合器内温度场的影响，从而可以通过改变冷水入口速度来优化炉内流场。

二、模型的建立
2.1 问题描述
现有一圆锥形立式混合器，冷水和热水分别自混合器的两次沿水平切向方向流入，在容器内混合后经下部渐缩通道流入等径的出水管，最后流入大气。

混合器示意图如图1所示，其几何尺寸如表1所示。

图1 混合器示意图 表1混合器尺寸表
2.2控制方程
【2】
（1）质量守恒方程
()()()0u v w t x
y
z
ρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂
（2）动量守恒方程
x 方向的动量守恒方程：
()()yx xx zx x u div uU F t
y
x
x
z
τττρρρ∂∂∂∂∂+=
++++∂∂∂∂∂
y 方向的动量守恒方程：
()()xy yy zy y v div vU F t
y
x
x
z
τττρρρ∂∂∂∂∂+=
++++∂∂∂∂∂
z 方向的动量守恒方程：
()()yz xz zz z w div w U F t
y
x
x
z
τττρρρ∂∂∂∂∂+=
+
+
+
+∂∂∂∂∂
（3）能量守恒方程 ()()()()()()()T p p p T uT vT w T k T
k T
k T
S t
x
y
z
x c x y c y Z c Z
ρρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++
=+
+
+∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂
（4）k ε-方程
()()(
)i k K b k
k
k
k
k k u k G G t x x x μμρρρεσ+∂∂∂∂+
=
++-∂∂∂∂
12()()(
)()i k k k
k k
u c G c t x x x k
εμε
ε
ρερερεσ∂∂∂∂+
=
+
-∂∂∂∂
其中：
(
)k i
i
k i i
k k
u u u G x x x μ∂∂∂=+∂∂∂
i b k
i k
T G g x μβσ∂=-∂
2
i c k
μ
μρε
=
模型常数：1c =1.44，2c =1.92，c μ=0.09
式中，u ，v ，w 分别为流体 x ，y ，z 三个方向的速度分量；ρ为流体密度；U 为
流体速度矢量；μ为流体的动力粘度； T 为流体温度；λ为流体的导热系数；p C
为流体
比热容；
T
S 为粘性耗散项。

应用gambit 软件建立模型，按照创建点，点生成面，面生成体，合并各个体的原则建混合器模型。

三、步骤如下
1在gambit 中建立模型并划分网格： 启动gambit 并选择求解器为FLUENT5/6 创建混合气主体
操作：然后击右击再选
输入圆柱的高度8和半径10
在Axis Location （圆柱体的中心轴）项中选择Positive Z （沿Z 轴正方向）。

Apply后就会出现
2 创建混合器的切向入流管。

再次调用创建圆柱命令，在高度右侧输入10，在半径中输入1，在Axis Location（圆柱体的中心轴）项中选择Positive X,单击Apply按钮确认。

3将入流管移动到混合器主体中部边缘。

操作：然后击再
在V olumes项中Move,并选中volumes2（小圆柱）。

在Operation项中选中Translate。

在Global（位移量）项中输入坐标（0,9,4）
单击Apply按钮确认
将小管以Z轴为旋转轴旋转180度复制
再次调用Move/Copy V olumes命令，在V olumes项中选中Copy，并选中volumes2（小圆柱）。

在Operation项中选中Rotate。

在Angle（旋转角度）中输入180.
保留Axis中的默认设置，这表明旋转角度将是Z轴。

单击Apply按钮确认
将三个圆柱何为一个整体。

操作：然后击再
创建主体下部的圆锥。

在中输入5,1,10，选择Negative Z ,单击Apply
创建出流口小管。

调用创建圆柱命令，输入高度5半径1。

在Axis Location项中选择Positive Z。

Apply
将出流口小管移动至锥台下部。

再次调用Move/Copy V olumes命令。

在V olumes项中选中Move,Shift+鼠标左键选中出流管小口。

在Operation项中选中Translate。

在Global（位移量）项中输入坐标（0,0,-5）
单击Apply确认
将混合器上部、锥台和下部出流小管合并在一起。

划分网格：
操作：再再打开对话框如下Shift+鼠标左键选中混合器整体。

在中选择，在中选中Tgrid. Internal Size=0.5
单击Apply确认
设置边界类型
打开Specify Boundary Types 对话框
在name文本框中输入边界名称inlet-1,将Type栏选为V elocity-inlet，在Entity栏中选取Face,并选中混合器进口截面。

在name文本框中输入边界名称inlet-2,将Type栏选为V elocity-inlet，在Entity栏中选取Face,并选中混合器另一个进口截面。

在name文本框中输入边界名称outlet,将Type栏选为P-outlet，在Entity栏中选取Face,并选中混合器出口截面。

输出网格文件
边界条件
求解计算
启动FLUENT 3D求解器
读入网格文件：File----Read----Case
检查网格：Grid---Check
网格比例设置：Grid----Scale
打开如下对话框，在Grid Was Created In下拉菜单中选择cm,选择Change Length Units ,单击Scale关闭对话框。

平滑（和交换）网格：Gird---Smooth/Swap 重复，直至报告没有需要交换的画面为止，Close。

显示网格：Display----Grid
设置求解模型
设置求解器：Define---Models---solve
设置标准k—ε湍流模型：Define---Models---Viscous
激活能量方程：Define---Models---Energy
操作环境的设置：Define---Operating Conditions
定义流体材料：Define---Materials,单击FLUENT Database如下图
设置入口1、2的速度边界条件以及出口流的边界条件
求解方法的设置及控制
求解参数的设置：Solve---Controls--Solution
打开残差图：Solve---Monitors---Residual选Option下的Plot 流场初始化：Solve---Initialize---Initialize
保存case文件：File---Write---Case
开始迭代：Solver---Iterate
在Number of Iteration 栏输入200
单击Iterate开始计算
创建平面
操作：Surface---Iso---Surface
打开如下图对话框
在Surface of Constant 下拉列表框中选择Grid 和Z-Coordinate 所填数字如下图
显示两平面的温度分布：Display---Contour
在Options下，加选Filled
在Contours Of 下拉列表中选Temperature和Static Temperature Surface复选列表中选Surf---1
单击Display
类似，可以显示竖直面上的温度分布，如下图2
图1 水平面上的温度分布图
图2 竖直面上的温度分布图
显示混合器内沿Z轴的温度压力分布曲线在流场内定义一条直线
Surface---Line/Rake
显示沿此线的压力分布曲线
Plot---XY Plot
在Y Axis Function下拉列表中选如图所示的两项，单击Axes修改轴坐标的显示范围，进行如下图所示的设置得后两图。

流速改为1.5时所得：
流速改为2时所得：
经比较可知冷水进口速度增大，温度场分布不均性性增强，出口温度降低。

小结：
Fluent软件在我未上这门课程时，一直不懂是用来做什么的，以为它在我以后的工作中没什么用，但现在我知道了它的重要性，以及应用领域的广阔，这次我就是用Fluent软件来对混合器内部流场进行了数值模拟，我认认真真的按照周老师的指导以及查询的资料的帮助，一步一步的做出了这份作业，熟练了Fluent的一些基本应用操作，很感谢周俊杰老师的指导。

参考文献：
【1】周俊杰，徐国权，张华俊. FLUENT工程技术与实例分析[M]. 北京：中国电力出版
社，2010.5.。