典型攪拌槳的固液雙相流仿真研究

　　摘 要: 以典型四折葉攪拌槳為研究對象，運用 CFD 技術(shù)進行攪拌槽的固液雙相流仿真計算。通過仿真，可觀察固液兩相的瞬時混合情況，仿真結(jié)果顯示，攪拌流場的穩(wěn)態(tài)流型與文獻一致，攪拌槳功率的仿真計算值與傳統(tǒng)公式計算值相差很小，表明運用 CFD 技術(shù)對攪拌槽進行模擬仿真并計算攪拌功率的方法正確可靠。

　　本文源自符 康，肖益民，黃文虎 湖南有色金屬 第 37 卷第 3 期 2021 年 6 月

　　關(guān)鍵詞: 固液雙相流; CFD 技術(shù); 混合; 攪拌功率

　　攪拌設(shè)備是濕法冶金工業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的設(shè)備之一，攪拌將機械能轉(zhuǎn)化為攪拌流場的動能，用以實現(xiàn)攪拌介質(zhì)的傳熱、混合、反應(yīng)等操作[1]。攪拌槳是攪拌設(shè)備的核心部件，合理的攪拌槳葉結(jié)構(gòu)對提高攪拌效率，進而促進整個濕法冶煉過程的綠色節(jié)能生產(chǎn)有著重要的作用。目前，對攪拌功率的計算，多依據(jù)規(guī)范[2]中的經(jīng)驗公式并參考已投入生產(chǎn)的攪拌設(shè)備，由于攪拌流動的復(fù)雜性，尚未形成完善的理論體系，對攪拌槳葉的研究以及優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)驗成分往往多于理論計算[3]。

　　現(xiàn)以典型攪拌槳的固液雙相流為研究對象，運用 CFD 技術(shù)對攪拌槽的流場形態(tài)和攪拌功率進行詳細研究與計算，并與文獻中的試驗結(jié)果和傳統(tǒng)公式計算結(jié)果進行對比分析，可為往后的攪拌槳的設(shè)計工作提供較好的理論參考。

　　1 攪拌計算模型

　　1. 1 攪拌槳結(jié)構(gòu)

　　研究采用單層四折葉開啟渦輪式攪拌槳，折葉角為 45°，攪拌槽體為圓柱型筒體，其它各參數(shù)詳見表 1。攪拌槽仿真模型如圖 1 所示。

　　1. 2 前處理

　　采用多重參考系法( MRF) 對攪拌槳葉區(qū)域進行處理，將整個流體計算域劃分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域[4]，如圖 2 所示。采用 ANSYS ICEM CFD 分別對攪拌槽的旋轉(zhuǎn)域和靜止域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)為 53 310 個，靜止域網(wǎng)格數(shù)為 21 507 個。

　　對攪拌槽進行固液雙相流仿真，液相采用清水，水的高度為 280 mm，固相采用砂石，密度為2 300 kg /m3 ，固相顆粒平均直徑為 50 μm。

　　1. 3 CFD 數(shù)值模擬

　　采用ANSYSCFX軟件進行攪拌槽的仿真計算，紊流域采用標準 k - ε 模型，多相流模型采用 EulerEuler 模型。設(shè)置旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為 600 r/min，槽體、擋板表面以及旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的攪拌軸及攪拌槳表面均采用無滑移壁面，靜止域內(nèi)的攪拌軸設(shè)置為無滑移( 轉(zhuǎn)動) 壁面，自由液面設(shè)置為 Opening，靜止域與旋轉(zhuǎn)域的交界面設(shè)置為 Fluid-Fluid 類型的 Frozen Rotor 交界面[5]。流場初始化設(shè)置如下: 在 0 ～ 0. 01 m 的高度段設(shè)置為砂石，0. 01 ～ 0. 28 m 高度段設(shè)置為水溶液，0. 28 ～ 0. 4 m 高度段設(shè)置為空氣。對流場進行瞬態(tài)仿真計算，設(shè)置步長 0. 025 s，步數(shù) 200 步，模擬攪拌槽 5 s 時間內(nèi)的流場。

　　2 仿真計算結(jié)果

　　2. 1 流場形態(tài)

　　瞬態(tài)仿真計算5s時間后，攪拌流域的速度矢量如圖 3 所示。由圖 3 可見，攪拌槳在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生斜向下的射流，流體撞擊槽體底部后，小部分在槽底中間位置形成動能較小的死區(qū)，其它大部分沿槽體壁面向上流動，到達溶液頂面后再折回葉端，形成了一個貫穿整個流場的主循環(huán)。

　　2. 2 物料密度分布

　　通過觀察整個計算流域的固液氣三種介質(zhì)的密度分布情況，也可以更好地觀察固液兩相在攪拌作用下的混合情況。如圖 4 所示，初始時刻( t = 0 s) 固液氣三相分別分布在流場域的底部、中部和上部，此時流域在底部存在最大的密度分布，即砂石的初始分布。隨著攪拌槳的不斷攪拌，砂石被不斷攪動起來與水溶液混合，攪拌槽內(nèi)物相的最大密度值不斷降低，至 5 s 時刻已經(jīng)達到了穩(wěn)定值 1 090 kg /m3 。從各時刻的物料密度分布情況可以看出，在槽底中間部位和槽底角落位置的砂石最后被攪動起來，因為這兩個區(qū)域的流場動能最小，與圖 3 結(jié)果一致。

　　2. 3 固相體積分數(shù)

　　進一步地通過提取各時刻固相砂石在攪拌槽流域內(nèi)的分布情況可直截了當?shù)赜^察固液兩相的混合情況。如圖 5 所示，初始時刻( t = 0 s) 固相沉積于槽體底部，固相體積分數(shù)最大值為 1，隨著攪拌槳的不斷攪動，固相體積分數(shù)的最大值不斷減小，至 5 s 時刻已達到穩(wěn)定值 0. 072。從圖 5 ( f) 可以看出，固相在溶液中的主要分布區(qū)域集中在攪拌槳斜下側(cè)的主循環(huán)區(qū)，因為該區(qū)域流場動能很強，攜帶的砂石也最多。這一結(jié)果與圖 3 證明的結(jié)果同樣是一致的。

　　2. 4 攪拌功率計算

　　通過仿真分析，監(jiān)測了攪拌槳在瞬態(tài)攪拌過程中每一載荷步下的扭矩值，如圖 6 所示。攪拌槳的扭矩在初始時刻最大，后不斷波動，隨著固相在溶液內(nèi)不斷混合均勻，在 180 載荷步后即攪拌 4. 5 s 后，攪拌槳的扭矩值趨于穩(wěn)定值 0. 11 Nm。根據(jù)公式可計算出，攪拌槳的仿真功率值為P =6. 9 W。此外，也可根據(jù)傳統(tǒng)公式計算攪拌槳的功率值，計算公式如式( 1) :

　　P' = Np·ρ·n3 ·d5 ( 1) 式中: Np 為 功 率 準 數(shù); ρ 為 混 合 溶 液 密 度，根 據(jù)圖 5( f) 取值 1 090 kg /m3 ; n 為攪拌轉(zhuǎn)速，取 10 r/s; d 為攪拌槳葉直徑，取 0. 1 m。

　　根據(jù)規(guī)范中的推薦值，單層四折葉槳葉取功率準數(shù) Np 為 0. 6，計算可得 P' = 6. 54 W。此值與仿真計算值P = 6. 9 W相差較小，由此可知仿真計算結(jié)果具有較強的可信度。

　　3 結(jié) 論

　　以典型四折葉攪拌槳為對象進行固液雙相流仿真計算。研究結(jié)果表明，攪拌流場的穩(wěn)態(tài)速度矢量與文獻結(jié)果保持一致。通過觀察瞬態(tài)分析各時刻計算流域內(nèi)各物料密度以及固相體積分數(shù)的變化情況可知，在 5 s 時刻固液兩相已充分混合，溶液密度達到穩(wěn)定值 1 090 kg /m3 ，固相體積分數(shù)保持在 0. 072。通過監(jiān)測各載荷步攪拌槳的扭矩值，根據(jù)攪拌槳的穩(wěn)態(tài)扭矩值計算出攪拌槳所需的功率為 6. 9 W，該值與傳統(tǒng)公式計算值6. 54 W相差很小，驗證了該仿真方法的可行性和準確性，故可更進一步采用 CFD 方法對工程實際中使用的其它攪拌槳型進行仿真研究。