高固含搅拌槽内临界离底悬浮转速的数值模拟

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1、第7卷第3期过程工程学报Vol.7No.32007年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2007高固含搅拌槽内临界离底悬浮转速的数值模拟121张凤涛，刘芳，黄雄斌(1.北京化工大学化学工程学院，北京100029；2.北京华康达计算机应用技术有限公司，北京100029)摘要：使用计算流体软件CFX5.5.1对固液搅拌槽内颗粒的临界离底悬浮转速进行了数值模拟.搅拌槽直径D=0.476m，搅拌桨为三叶CBY螺旋桨.桨叶安装高度h=D/3.固液两相为玻璃珠−水，固体体积浓度为15%∼50%.对临界离底悬浮的速度判据进行了修正，并利用浓度判据与修正的速度

2、判据得到颗粒临界离底悬浮转速Njs，模拟计算结果与实验数据的误差在工业允许的范围内.同时，对临界离底悬浮状态槽底部不同浓度下的流体湍流动能的分布情况以及大小进行了预测，并对2种固体临界离底悬浮机理进行了验证.关键词：计算流体力学(CFD)；临界离底悬浮转速；搅拌槽；湍流动能中图分类号：TQ027.1文献标识码：A文章编号：1009−606X(2007)03−0439−061前言内的固液流场及临界离底悬浮转速(固体颗粒体积分率[8]为5%).Lanre等对搅拌槽内的固体颗粒悬浮进行了研固液悬浮技术研究的重点是如何以最小的能耗获[9]究(固相体积浓度为0.5%∼50%).Micale等使用得所需要

3、的悬浮效果，因此，研究的目标是找出固液体Eulerian−Eulerian双流体模型对单层桨和多层桨的搅拌系的临界离底悬浮转速，同时开发高悬浮效率的搅拌叶槽内中低浓度固体颗粒的分散进行了研究.轮.达到完全离底悬浮状态所需要的最低搅拌速度称作目前，固液体系临界离底悬浮转速的模拟研究多集临界离底悬浮转速Njs.对固液体系，完全离底悬浮的研中于低浓度固液体系，且多采用径向流搅拌桨，但在实究较多，有很多临界离底悬浮转速的关联式发表，其中际工业应用中，固液体系多采用轴向流搅拌桨.[1]以Zwietering的关联式最精确，对物料的临界离底悬[10]Chudacek以完全离底作判据对比了径向流搅拌桨和浮转

4、速的估算与实测的误差小于7%.目前得到的Njs值轴向流搅拌桨的悬浮效果，研究表明轴向流搅拌桨的悬一般是在实验室尺度的槽中通过实验由主观的方法估浮效果明显优于径向流搅拌桨.为此，本工作通过对临算而来，再由此放大到工业混合器中.对于工业应用的界离底悬浮模拟判据的修正，利用商业软件CFX5.5.1，大尺度反应器以及高压等复杂情况，在实验室是无法得对采用轴向流搅拌桨的高固含搅拌槽内颗粒的临界离到所需详细信息的，所以需要寻找一种新的方法来预测底悬浮转速进行预测，并且将模拟结果和实验数据进行工业搅拌槽内的临界离底悬浮转速Njs.对比，验证修正判据及商业软件CFX5.5.1对高浓度固随着计算流体力学(CFD

5、)技术的发展，对给定条件液体系临界离底悬浮转速进行预测的合理性，进而对设下反应器的流体流动状况进行预测己经成为可能.目前备的设计和放大过程起指导作用.所报道的固液两相流数值模拟主要集中于低浓度体系，关于高浓度固液体系(固相体积分数大于20%的固液体2计算体系与模拟方法[2]系)的研究较少，这是由于现有CFD软件中大部分模2.1计算体系型都只适用于低浓度体系，对于需要考虑相间相互作用2.1.1搅拌槽结构以及每一相的运动等复杂问题的高浓度体系，适用的模计算采用的搅拌槽为有机玻璃圆柱形，均布4块挡[3]型很少.王振松等对固液搅拌槽内固相体积分数为[4]5.4%的槽底流场进行了模拟.李良超等对固液搅拌

6、槽内(固相体积浓度为1.0%∼5.4%)近壁区的液相速度进行[5]了实验和模拟研究.王峰等用内外迭代法对采用标准六直叶涡轮桨的搅拌槽内低浓度(αs<20%)固液体系进[6]行了数值模拟.Derksen模拟了搅拌槽内的固体颗粒悬图1三叶CBY桨结构图[7]浮情况.钟丽等模拟了采用标准六直叶涡轮桨搅拌槽Fig.1ConfigurationofCBYairfoilimpeller收稿日期：2006−08−11，修回日期：2006−10−11作者简介：张凤涛(1980−)，男，吉林省吉林市人，硕士研究生，化学工程专业；黄雄斌，通讯联系人,Tel:010-64418267,E-mail:huangxb@

7、mail.buct.edu.cn.440过程工程学报第7卷板，为全挡板条件.搅拌槽直径D=0.476m，液位高H=分.对槽体静止部分、桨叶旋转部分分别划分网格.为D，挡板宽度为D/10=0.0476m，离壁面距离为0.005m.便于网格的划分，在槽底中心到桨叶旋转部分设有直径搅拌桨采用三叶CBY轴流下压式螺旋桨，桨直径d=为2mm的虚拟轴.为了增加计算精度，对桨叶、交界0.44D，桨叶的安装高度h