三维搅拌器数值模拟

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1、搅拌器数值模拟1引言搅拌混合是一种常规的单元操作，具有广泛的应用背景，搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分，搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算，分析搅拌流场特性，通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。2搅拌器流场数值模拟2.1四叶涡轮搅拌器solidworks建模四叶涡轮搅拌器桨

2、叶直径，叶片宽，厚，轮毂直径20mm。三维模型建好后，保存为jiaobanqi.IGS文件。图1　四叶涡轮搅拌器2.2四叶涡轮搅拌器Gambit建模（1）将生成的jiaobanqi.IGS文件导入Gambit中，得到volume1。（2）建立搅拌槽模型本文采用平底圆柱形槽体，内径，槽内液位高度；搅拌器安装在轴径的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度。图2搅拌槽尺寸1）建立圆柱体模型，此模型作为搅拌器的动区域，圆柱体尺寸高为60mm，半径60mm。之后需对圆柱体进行平移，由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上，本模型需使圆柱体沿着Z轴平移，设定Z轴的平移量为-20，得到volume2。2

3、）以同样的方法分别建立高为40mm，半径为8mm，高为210mm，半径为105mm，高为110mm，半径为8mm的3个圆柱体，分别为volume3，volume4，volume5，其中volume3无需平移，volume4沿Z轴平移-60，volume5沿Z轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。图3搅拌槽模型（3）布尔运算本次模拟采用多重参考系模型(Multi-ReferenceFrame,MRF)。即在计算时，将计算域分成两大部分：一部分包含运动的叶片，即转子区，另一部分包含静止的槽体，称为定子区；两个区域的计算分别采用两个参考坐标系来进行，叶片所在区域（转子区）采用以叶片速度旋

4、转的参考系，另一部分区域（定子区）使用静止参考系，具体设置见图4，参考系边界可以直接进行数据交换。a:转子区(采用旋转坐标系)b:定子区(采用静止坐标系)Es:两部分的界面图4多重参考系模型示意图因此在建立Gambit模型时进行布尔减操作，即将搅拌槽的整体分为转子区和定子区两部分，同时在转子区去除搅拌器。首先搅拌槽整体区域与转子区相减，需保留转子区。以同样的方法完成搅拌槽整体区域与搅拌轴上部相减，转子区与搅拌器相减，转子区与搅拌轴下部相减。（4）网格划分目前，在复杂区域内生成网格的方法总的来说可以分为两大类：结构化网格和非结构化网格。当计算区域的几何结构形状比较规则时，可以实现应用结构化

5、网格进行划分区域，在结构化网格中，每一节点及控制容积的几何信息必须加以存储，但该节点与其相邻点关系则可依据网格编号规律自动得出，因而不必存储这类信息，这是结构化网格的一大优点。当计算区域比较复杂时，即使应用专门的网格生成技术也难以处理所求解的不规则区域，这时采用非结构化网格进行区域划分。在非结构化网格中，由于一个节点与其邻点的关系不是固定不变的，因此这种联结信息必须对每一个节点都显式地确定下来并加以存储。非结构化网格的这一特点对于网格的自动生成、自适应处理及平行计算的实施带来不少方便，因此这种网格被普遍使用。本次模拟采用结构化网格，即六面体网格，此种网格计算过程较容易，便于控制。首先对搅

6、拌槽体即定子区进行网格划分，网格间距为2。对于转子区网格的划分，由于靠近搅拌轴，搅拌速度较快，因此转子区网格需较定子区的网格密，因此网格间距改为1，其他条件与定子区网格划分的条件相同。最后如图5所示为完成网格划分的搅拌槽。图5搅拌槽网格图（5）设定边界条件1）搅拌器和搅拌轴都设为壁面WALL。即搅拌器Name设为jbq-w，Type选择WALL；搅拌轴分为上下两个区域，靠近搅拌器的区域的搅拌轴Name设为shaft-down，Type同样选择WALL；另一区域的搅拌轴Name设为shaft-up，Type同样选择WALL。2）搅拌槽底部和侧面都设为WALL，Name为jbc-w；搅拌槽顶

7、部为自由液面，因此Type选择SYMMETRY，Name为jbc-top。3）搅拌槽中定子区和转子区的交接面为转子区的外表面，此表面处为两层面重合，因此选用Type为INTERFACE，Name分别为in-1，in-2，in-3，out-1，out-2，out-3，分别代表转子区外侧，转子区上表面，转子区下表面，定子区与转子区交界面的侧面，定子区与转子区交界面的上表面，定子区与转子区交界面的下表面。（7）定义实体区域如上文所述搅拌槽