多层桨式搅拌器内混合过程的数值模拟

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1、中国工程热物理学会2006年学术会议论文流体机械编叠：067002多层桨式搅拌器内混合过程．的数值模拟杜红霞吴大转王乐勤(浙江大学化工机械研究所310027杭州)Tel：0571—87952406Email：wudazhuan@zju．edu．an摘要t为分析工业搅拌罐内的流动和传热等情况，并为搅拌器的优化设计提供基础，本文对三层桨式搅拌罐内的混合过程进行了三维数值模拟，采用多重参考系法(MRF)及标准七一s模型，分析7"8种不、同工况下的搅拌功率、罐壁和物料问传热系数分布情况。通过搅拌混合过程的非定常多相流计算，获得相分率随时问的变化历程，并由此得到搅拌过程的混合时间．结果表明

2、，流动模拟町获得详细的流场分布，并获得各项特性参数。高粘度条件下，增大桨叶直径可有效提高表面传热系数，同时功率也明显上升，混合时间的计算町为工业搅拌过程提供工艺参考．关键词：数值模拟；搅拌功率；传热；混合时间；桨式搅拌器1引言搅拌器被广泛应用于化工、冶金、生化、食品等许多工业过程中。根据操作目的的不同，搅拌器几何形状和搅拌桨类型有很大的差别。由于搅拌器的复杂性和多样性，目前采用的半经验设计方法，存在设计过程复杂，周期长，结构难以最优化等缺陷⋯。近年来，基于计算流体动力学(CFD)的预测技术在搅拌器设计方面得到广泛应用，在一定程度上弥补了这一缺陷。CFD方法具有性能预测、内部流动仿

3、真、数值实验、流动诊断等作用。对于重要工艺过程中的搅拌设备，对搅拌罐中流动和传热等情况进行CFD模拟非常重要，因为流动和传热等情况的研究是优化搅拌器设计的基础，可以为传统的放大准则提供有效的补充，对于搅拌设备的放大设计具有指导意义。国内外学者对搅拌罐内流体流动展开了广泛的实验研究利数值模拟¨删，但对搅拌功率、传热系数和混合时间的综合讨论未见广泛报导。传热系数的分布影响着搅拌罐内的温度场，搅拌罐内温度的分布对许多生化反应的进行极为重要，温度不符合工艺要求会导致酶活性改变、副反应增加及产量下降，最终影响产品的质量。因此，获得传热系数的分布情况是1}常必要的。随着能源问题的不断加剧。搅

4、拌器的节能技术引起了更为广泛的关注，若能在满足工艺要求的前提下尽可能地降低能耗，对于搅拌设备的大型化将具有重要意义。同时，混合时间也是制定工艺过程和设计过程中需考虑的重要参数，但以往大多需要通过实验获得。本文采用了计算流体力学分析软件Fluent，研究了三层桨式搅拌罐内流场的速度分布、搅拌功率、平均传热系数和混合时间，以期对桨式搅拌器的优化设计有所指导。2物理模型和计算方法搅拌罐几何模型采用某食品设备制造有限公司研发制造的一个配方罐。罐体为中间圆柱形筒体，上端为标准椭圆封头，’卜．端为锥形封头，桨叶为弧形桨叶，搅拌器的结构、工作条件和物料主要特性参数如表1所示。罐体和搅拌器的三维

5、模型剖视图如图l所示，模型真实地模拟了其实际操作条件。．采用多重参考系法解决了静止部件和转动的搅拌桨之间的相对运动问题，将计算域分为两个区域，内部区域包括旋转的桨叶，外部区域包括静止的挡板和壁面。搅拌器内212流域由液面、罐壁、搅拌桨、挡板和搅拌轴组成，其中，自由液面采州滑移的壁面假殴。网格创建采用分块技术，对内部区域进行加密，以增加计算的精度，流域网格图如图2所示。本文采用CFD软件FLUENT进行模拟计算，选削标准J

6、}一占模型进行模拟，P}jSIMPLE方法进行压力和速度的耦合。表l搅拌罐、物料主要特性参数参考外型尺寸，转速／mm×mmr／n瞳n挡板数物料警7，物料J／(比

7、g,热容K)7物料W／(导热m-K射)Kg／mJ3800X4800534130041800．6’-_●_●----一Il__●--l●__-___ll-__●l-____●__●●●-l______l_●●●●●____●____-----_--_-●_-●●____一图l搅拌罐三维造型图图2流域网格图3特性参数的计算方法和结果分析3．1流场分布对桨叶直径为1．55m、物料粘度为700cP的工况的流场模拟结果截取轴截面和横截面速度矢量图。图3轴截面速度矢量分布图图4中桨横截面速度矢量图从图3可看出，三层桨叶形成了两个循环流，在上桨靠近罐壁区域形成了一个较大的循环，在中桨和下桨端部

8、之问形成了一个较小的循环，整个流域基本都处于循环流的影响范围¨训。从图4可看出，桨叶搅动物料形成漩涡，罐壁附近无死角，整体搅拌效果较好。基于流场分析得到的结果，通过积分和平均得到搅拌功率、平均传热系数和混合时间等特性参数。3．2搅拌功率搅拌功率的大小是罐内物料搅拌程度和运动状态的度量，同时又是选择电机功率的依据。搅拌功率取决于所期望的流型和湍动程度。是搅拌罐尺寸、物料特性、桨叶外形尺寸和位置、搅拌轴转速和内部附件(有无挡板及其他障碍物)的函数⋯’。搅拌桨在流场中所受力为压力和枯性