疏水缔合聚丙烯酰胺溶解槽内流固混合特性的数值模拟.pdf

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1、第40卷第2期化工机械193疏水缔合聚丙烯酰胺溶解槽内流固混合特性的数值模拟孙冬冬“王小芳2(华东理工大学机械与动力工程学院)摘要利用FLUENT软件对在聚酯生产中应用的双层搅拌桨搅拌槽内疏水缔合聚丙烯酰胺AP．P4溶解过程的流场进行数值模拟分析，采用标准k-6模型和多重参考系法(MRF)。分析了AP．P4溶解过程中刚加入聚合物颗粒时在搅拌槽内的混合情况。得到了搅拌槽内流场状况和固体颗粒的体积分数分布。并对流场的分布规律、固体颗粒体积分数分布特点加以分析，由模拟结果计算出搅拌轴的功率，为搅拌槽的设计

2、和实际应用提供有益的结论。关键词搅拌槽AP—P4数值模拟中图分类号TQ051．7文献标识码A文章编号0254-6094(2013)02-0193-05搅拌设备作为过程工业的基础操作单元，被广泛应用于石油化工、生物工程和材料加工领域。在生产过程中主要对物料进行加热、混合和传质，搅拌槽内适宜的流场结构是介质混合效果好坏的关键。由于搅拌设备内部流场非常复杂，目前对其研究还未形成比较完善的体系，主要依靠经验和实验数据进行设计。按照这种传统经验公式设计搅拌设备，设计周期长、耗资高且可靠性低。如何准确的描述搅拌

3、槽内流场状况和混合情况，是所有设计者都关心的问题。随着计算机技术的发展，近年来，计算机流体力学(CFD)发展迅速，运用数值模拟方法能够准确的模拟出搅拌槽内详细的流体混合特性，国内外很多学者采用数值计算法对搅拌槽流场结构进行了研究，周国忠等¨。对单层和双层六直叶涡轮桨进行了数值模拟，Syr-janenJK和ManninenMT¨。利用MRF方法对不同网格数量下45。斜叶涡轮的流场进行了数值模拟，成功地捕捉到叶片产生的尾涡，并且所得尾涡的形状和位置与实验结果一致。苗一等∞o利用FLUENT采用MRF法对

4、双层六直叶涡轮桨搅拌槽的混合过程进行了数值模拟，预测了不同加料点、监测点位置和操作条件对混合时间的影响规律。笔者采用FLUENT软件利用多重参考系法对疏水缔合聚丙酰胺生产中某搅拌槽进行数值模拟，获取搅拌槽内流体流动状况和固体颗粒的体积分数分布情况，利用模拟结果计算搅拌轴的功率，从而对搅拌器的设计研究提供数据参考。1几何模型1．1物理结构及网格划分采用平底圆柱形搅拌槽，搅拌槽结构示意图如图1所示，搅拌槽直径D=1．8m，两块挡板，液位高H=2．6m，搅拌桨为VISCOPROP桨，转轴直径d。=0．06

5、m，上下层桨叶间距为1．237m，下层桨叶距槽底距离为0．4m，桨叶直径d：=0．6m，桨叶倾斜角度为53。，转速rt=200r／min，取整个槽体进行建模，采用四面体单元进行网格划分(图2)，将搅拌桨叶附近区域设为动区域，搅拌槽内动区域外设为静区域，分别对槽体的动、静区域进行划分网格，动区域网格数为209576，静区域网格数为1743275，为增加计算的精确度，对桨叶、交界面，近壁区域采用网格加密处理。搴孙冬冬，男，1987年4月生，硕士研究生。上海市，200237。194化工机械2013年图1搅

6、拌槽结构示意图图2搅拌器网格划分1．2模拟物系H1疏水缔合聚丙烯胺AP—P4(干粉的平均分子质量1800万左右；干粉密度1200kg／m3)，AP—P4溶解过程可分3种混合过程，笔者针对第一种混合状态进行模拟，即刚刚加入聚合物颗粒进行搅拌，颗粒直径d。=0．6mm，密度P。=1200kg／m3，物料中固体颗粒体积分数为0．8％。2数学模型2．1控制方程”J流体流动要受到物理守恒定律的支配，即流动要满足质量守恒方程(连续性方程)、动量守恒方程、能量守恒方程。数值模拟分析要基于这3个基本传递方程。连续性

7、方程在直角坐标系中的微分形式如下：考川，。uodxdydz+，^pdA=0(1)对搅拌槽内流体为连续不可压缩时(即P为常数)，在直角坐标系中连续方程表达式为：坐+塑+a_y_w：0(2)OxOy以式中u，l，，gO——茗，Y，：方向的速度矢量；r密度。对于不可压缩常粘度的流体，在直角坐标下的动量方程，即N—S方程为：pc詈v--札罢蜘考+∞詈，=以一去+pc等+雾+爹，p【i札i蜘面¨i)2胪t一素+p‘虿+万+虿)(1)P(詈+u考+”面Ou+∞詈)=pF,一軎+p(妻+谚du+警)(2)Pc詈+

8、“罢+。詈+∞詈，=以一罢+pc雾+雾+警，(3)式中F，、F小F：——单位体积的体积力F在算、Y、彳方向的分量；p——动力粘度。能量方程本质是热力学第一定律M1，即微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流通量加上质量力与表面力对微元体所坐的功，表达式为：等+V[五(胪+p)]=V[kVr—ZA_，Js+(f。H·五)]+sh(4)式中E——流体微元的总能，E=h—p勿+u2／2，J／kg；^——焓，hy是组分_『的焓；k。。——有效热传导系数；

9、s。——包括了化学