闭式涡轮搅拌器搅拌釜内流场的数值模拟

＋ ｉ（ ｕ ） ｉ（ ｇａ ｄｖ ｐ— ＝ｄｖ ／ ｒｄ ｖ ｘ
＋ｖ— ＝ｖｇ 一 ｄｐ ）ｄ／ｄ 警 ｉｗ ｉ ｒ） （ｕ （ａ ｘ
能量守恒方程 ：
体颗粒易于悬浮 ， 使物料混合更加均匀 ， 从而提高 生产效率。因此提出了一种闭式涡轮搅拌器。闭 式涡轮搅拌器不属 于常规搅拌器 的类型 ， 它既可 以产生很强的径 向流 ， 同时又可产生较强 的轴 向
郑
＋ｉｐ ） ｄ（ ｒ Ｔ ＋ ｄ （＿ －ｉ ｇｄ） Ｓ ｖ ｖ ａ
式 中 Ｐ— — 密度 ；
瑜 ， ，９ ２年 ２月生 ， 女 １８ 硕士研究生 。江 苏省常州市 ，１０ ６ ２３１ 。
ｌ８ ９
— —
化
工
机
械
２１ ０ ０年
动 力黏度 ； 温度 ；
单个搅 拌 器模 型尺 寸 如 表 １所 示 ， 拌 转 速 搅 设 定 为 ３０ｒｍｉ。 ０ ／ ｎ
Ｃ Ｄ方法的基 本步骤 就是建 立控 制方 程 ， 离 Ｆ 并 散化 ， 然后求解离散方程 ， 判断其收敛 性从而得 出计 算结果 。其 中控制方程包括 以下 ３个方程 。 Ｊ
质量 守恒 方程 ：
● ｉ（ ）＝ ｖ ＋ｄ 、 ｒ ０
手 。近年来 ， 随着计算流体动力学 （ Ｆ ） Ｃ Ｄ 的发展 ， 对搅拌反应釜内腔三维流场的数值模拟研究 日 趋
单元 ， 然后在每一个微小体积进行流体的仿真计
搅拌反应器的流场进行数值模拟。标准 ｋ８ － 模再用得到的 ｋ ８的值计算湍流黏度 ， 和 最后根 据 Ｂ ｕｓ ｅｑ涡 黏 假设 得 到 Ｒ ｙｏｄ 应 力 的解 ， ｏｓｎｓ ｉ ｅｎ ｌｓ 从 而使 Ｒ ｙｏｄ 时均 化 方程 组 封 闭 ｊ Ｎ － ｅｎｌｓ 。Ｒ Ｇ ｋ８
表 １ 闭式 涡轮搅 拌 器结构 尺 寸 ｍ ｍ
ｔ—— 时 间 ；
— —
Ｐ—— 压力 ；
ｋ ——传热系数 ； ｃ — 比热 容 ； 。 —
Ｓ ， Ｊ —— 广义 源项 ； ． ， ｓ ｓ
利 用 Ｆｕｎ 通 用前 处 理 软 件 Ｇ ｍ ｉ建 立 搅 ｌｅｔ ａ ｂｔ 拌釜 、 圆盘 涡轮搅 拌 器及 釜 内附件 的实体模 型 ， 只
（ Ａ Ｓ 是 目前 应 用 最 广 泛 的 湍 流 数 值 模 拟 方 Ｒ Ｎ） 法 ， 研究 采用 标 准 ｋｓ模 型 和 Ｒ Ｇ ｋ８模 型 对 本 － Ｎ －
考虑搅拌釜底 至液面处 （ 即流体所 占体积） 为计 算流体区域 ， 搅拌轴亦不考虑液面上方部分。
２２ 网格 划 分与边 界条 件 ． 网格划 分 的 目的就是生 成有 限个 微小 的体积
深入 ～ 。
动量 守恒 方程 ：
＋ ｉ（ ）＝ｄｖ ／ ｒｄ ｄＶ ｐ ｉ（ ｇａ ｚ 塑 ＋Ｓ Ｏ ｘ
某公 司气 液 两相搅 拌 反应 釜现 有搅 拌器 混合 效果 不 理 想 ， 底 有 物 料 堆 积 。 根 据 相 关 研 釜 究 ］应该 加 强 该 反 应 器 的轴 向输 送 能 力 ， 固 ， 使
此， 笔者对闭式涡轮搅拌器的流场特性进行研究 ， 利用计算流体动力学软件 Ｆ ｅｔ ｌ ｎ 对搅拌釜的内腔 ｕ 流场分布情况进行数值模拟 ， 分析搅拌功率 、 速度 分布 以及浓度分布 的变化情况， 为搅拌器和搅 拌 反应 釜 的设 计和 结构 优化 提供 理论 依 据 。
１ ＣＦ Ｄ理 论模 型
维数值模拟 ， 分析 了其流场的流动情况 ， 包括 正常工况 下的流型 、 速度场分布情 况， 研究 了搅 拌器对物料 流动特性的影响 。计算结果表 明， 闭式涡轮搅拌 器使 釜 内流场同时产生 明显轴 向流动 和径 向流动 ， 搅拌
混合 效果 良好 ， 能够 实现 釜 内物料 的充分混合。 关键 词 闭式涡轮 搅拌器 中图分类 号 Ｔ ０ １７ Ｑ ５ ． ２ 流场分析 数值模拟 Ａ 文章编号 ０５ －０４ ２ １ ）２０ ９ －４ ２ ４６ ９ （ ００ ０ －１７０ 文献标识码
增大传质和传热系数 ， 加速反应 的进行等方面起 着 非常重 要 的作用 。
搅拌 器 又称 搅 拌 桨或 搅 拌 叶轮 ， 搅 拌 设 备 是
的关键部件…。其功能是 提供过 程所需 要 的能
量和适宜 的流动状态。搅拌器旋转时把机械能传 递给 流体 ， 在搅 拌 器 附 近形 成 高湍 动 的充 分 混 合 区， 并产生一种高速射流推动液体在搅拌容器 内 循环 流动 ， 这种 循 环 流 动 的途 径 称 为 流 型 。搅 拌 器的流型与搅拌效果 、 搅拌功率的关系十分密切 ， 搅拌器 的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着
第３ ７卷 第 ２ 期
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机
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闭式 涡 轮 搅 拌 器 搅 拌 釜 内流 场 的数 值 模 拟
郑 瑜 刘 雪 东 刘 文明
（ 江苏工业 学院）
摘
要
利 用计算流体 力学（ Ｆ 软件 Ｆｕｎ， 某工程 实例 的闭式 涡轮搅 拌器 的 内腔 流场进 行 了三 Ｃ Ｄ） ｌｅ ｔ对
５ — — 黏性 耗散项 ；
“ ， ——速度矢量 的 ３ ，Ｗ 个分量。 搅拌反应器的流场 以湍流为 主， 于这种高 对 度非 线性 的复 杂 流动 形 式 ， 要 对 瞬 态 的 Ｎ ｖｅ— 需 ａｉ ｒ Ｓ ｋｓ 程作 时 间平 均处 理。Ｒ ｙｏ ｓ平均 法 ｔ ｅ方 ｏ ｅｎｌ ｄ
搅拌设备在 工业生产 中应用范 围很广 ， 尤其 是石 油 化工 生 产 中被用 于物 料 混合 、 溶解 、 热 、 传 制备悬浮液 、 聚合反应 以及制备催化剂等。搅拌 在促进釜内物料流动 ， 使反应器 内物料均匀分布 ，
流 ， 业生 产 中有着 较好 的应 用 前景 。然 而 ， 工 由于 缺乏相 应 的 理论 研 究 ， 市场 推 广 进 程 缓 慢 。 因 其