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基于CFD的渦輪式攪拌器內(nèi)流場數(shù)值模擬

2021-06-08 23:38楊文哲蘇曉磊劉毅馮亞斌
關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬

楊文哲 蘇曉磊 劉毅 馮亞斌

摘? ?要: 攪拌器內(nèi)流場的計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬中,網(wǎng)格離散質(zhì)量對流場仿真結(jié)果的可靠性具有重大影響?;贏NSYS ICEM CFD仿真環(huán)境,以六直葉開啟渦輪式攪拌器為研究對象,提出一種六面體網(wǎng)格離散方法,并采用標準k-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格模型(SM)對流場進行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn):1)在六面體網(wǎng)格離散下,攪拌器內(nèi)流場網(wǎng)格質(zhì)量較好,平均網(wǎng)格質(zhì)量約為0.96,能夠很好地刻畫徑向流的典型特征并較為準確地模擬攪拌器內(nèi)流場問題;2)所模擬的六直葉開啟渦輪式攪拌器混合效果較差,在靠近釜頂、攪拌軸區(qū)域與釜底的“錐形區(qū)域”內(nèi)易形成回流死區(qū),造成物料堆積,應(yīng)通過安裝誘導(dǎo)錐、適當降低攪拌器的安裝位置等方式減小回流死區(qū),以提高攪拌器的混合效果。

關(guān)鍵詞: 六直葉開啟渦輪式攪拌器;ANSYS ICEM CFD;網(wǎng)格離散;數(shù)值模擬

引言

當今,CFD(計算流體力學(xué))理論和軟件迅速發(fā)展,已成為一種先進且高效的研究工具,在航空航天、土木工程和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。

在化工生產(chǎn)過程中,攪拌器對流體的混合、物料的分散等都有著重要作用。近些年來,越來越多的學(xué)者已開始利用CFD與PIV(粒子圖像測速)技術(shù)獲取攪拌器內(nèi)流場的重要信息,從而實現(xiàn)攪拌器的優(yōu)化設(shè)計[4-6]。例如,Luan等[7]利用CFD技術(shù)研究了6-PBT攪拌器的偏心距和底部間隙對攪拌釜中假塑性流體混合特性的影響,結(jié)果表明流場的微觀結(jié)構(gòu)對示蹤劑的混合過程具有重要影響。Zhang等[8]采用Fluent軟件的滑移網(wǎng)格模型(SM)對所設(shè)計的新型圓筒攪拌器進行了數(shù)值模擬,評估了其混合特性,結(jié)果表明圓筒攪拌器相比Rushton渦輪與螺旋槳渦輪具有更好的節(jié)能效果。Jiang等[9]采用4種不同的攪拌器合成了Y2O3粉體,并研究了共沉淀反應(yīng)過程的均勻性對Y2O3粉體、前驅(qū)體相組成和形貌的影響,結(jié)果表明采用四斜葉渦輪可以獲得更均勻混合物,所制備的Y2O3粉體更分散。Li等[10]利用混合網(wǎng)格對攪拌釜內(nèi)流場進行了離散,研究了攪拌釜敞口無擋板且釜內(nèi)具有自由表面渦流時的流場分布,并通過預(yù)測數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的對比,驗證了仿真的可靠性與準確性。莫惠珺等[11]對4種不同型式結(jié)構(gòu)的雙曲面攪拌器內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明高葉片結(jié)構(gòu)的雙曲面攪拌器更有利于形成對稱均勻的流場,攪拌混合效果更佳。胡志梁等[12]采用層流模型與大渦模擬方法對六直葉攪拌器中低雷諾數(shù)下的擬塑性流體流動特性進行了研究,為攪拌器的設(shè)計及實際攪拌的操作提供了參考。張慧敏等[13]模擬研究了開啟渦輪式攪拌器內(nèi)流場,并與PIV實驗進行了驗證,結(jié)果表明模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致,優(yōu)化葉輪設(shè)計參數(shù)后的攪拌器內(nèi)流場中的攪拌死區(qū)最少,攪拌效果最佳。

可以看出,攪拌器內(nèi)流場的研究工作已越來越依賴于CFD仿真,而仿真的前提是網(wǎng)格離散,網(wǎng)格離散質(zhì)量會對流場仿真結(jié)果的可靠性產(chǎn)生重大影響[14-16]。為此,本文以六直葉開啟渦輪式攪拌器為研究對象,采用ANSYS ICEM CFD軟件探索適合于該攪拌器內(nèi)流場的網(wǎng)格剖分方法,并對攪拌器內(nèi)的流動特性進行探討,最大程度減小回流死區(qū)。

1? 物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1? 物理模型與計算域

采用SolidWorks 2018軟件建立攪拌器的幾何模型[17],如圖1所示。模型主要由釜體、碟形釜底、擋板、攪拌器和攪拌軸五部分組成,攪拌器采用垂直定位,旋轉(zhuǎn)方向為順時針。攪拌釜和葉輪的主要參數(shù)如表1所示。簡化后的計算域與邊界條件如圖2所示,整個計算域被分為動、靜兩個區(qū)域。動區(qū)域與靜區(qū)域分別采用旋轉(zhuǎn)坐標系和靜止坐標系,其交界面的信息以插值形式進行數(shù)據(jù)傳遞。若要捕捉攪拌器和擋板附近的流動細節(jié),可進行局部網(wǎng)格加密處理[18],并注意第一層網(wǎng)格節(jié)點高度y的設(shè)置。

1.2? 網(wǎng)格劃分

1.2.1? 動區(qū)域網(wǎng)格劃分

將動區(qū)域分割為6個單葉片區(qū)域,對其中之一進行網(wǎng)格劃分。在完成關(guān)聯(lián)幾何體和塊、設(shè)置網(wǎng)格尺寸與周期性節(jié)點、更新預(yù)覽網(wǎng)格、檢查網(wǎng)格質(zhì)量、調(diào)節(jié)優(yōu)化網(wǎng)格等相關(guān)操作后,所生成的單葉片區(qū)域塊與網(wǎng)格如圖3所示。

動區(qū)域的塊與網(wǎng)格可通過旋轉(zhuǎn)復(fù)制單葉片區(qū)域塊的方式來生成;若發(fā)生錯誤,一定要檢查周期性面與邊的關(guān)聯(lián)情況。所生成的動區(qū)域塊與網(wǎng)格如圖4所示,其六面體網(wǎng)格總數(shù)為93 712。

1.2.2? 靜區(qū)域網(wǎng)格劃分

靜區(qū)域網(wǎng)格的劃分方式可采用類似于動區(qū)域網(wǎng)格的劃分方式。將擋板類比于葉片,再通過旋轉(zhuǎn)復(fù)制單個擋板區(qū)域塊的方式來生成釜體靜區(qū)域的塊與網(wǎng)格。值得注意的是,在旋轉(zhuǎn)復(fù)制塊以前,必須刪除動區(qū)域單葉片的塊,并創(chuàng)建好周期性節(jié)點,完成周期性面與邊的關(guān)聯(lián),以避免映射錯誤的發(fā)生。但由于碟形釜底靜區(qū)域的網(wǎng)格不易劃分,故可采用首先單獨對其劃分,再與釜體靜區(qū)域其他網(wǎng)格進行合并的方法來完成。其交界面的信息也以插值形式進行數(shù)據(jù)傳遞?,F(xiàn)說明釜底靜區(qū)域的網(wǎng)格劃分方式。首先將釜底區(qū)域塊劃分為16個子塊,再對其進行“O”型剖分,使釜底的塊能夠更好地貼近釜底面,以提高釜底面附近聚集的網(wǎng)格節(jié)點效率[19],從而提高網(wǎng)格質(zhì)量。所生成的釜底區(qū)域塊與網(wǎng)格如圖5所示,釜底區(qū)域的六面體網(wǎng)格總數(shù)為189 310。

1.2.3? 合并動、靜區(qū)域網(wǎng)格及檢查

對所劃分的動、靜區(qū)域網(wǎng)格進行合并后,一定要利用Check Mesh選項卡來檢查可能出現(xiàn)的網(wǎng)格錯誤,比如重復(fù)的網(wǎng)格元素、丟失的面網(wǎng)格等。若發(fā)現(xiàn)錯誤,可采用Mesh Repair Tools功能進行修復(fù)。經(jīng)檢查無誤后,所得到攪拌釜內(nèi)流場網(wǎng)格如圖6所示。圖6b中的深色外圍區(qū)域與中間區(qū)域分別為擋板和攪拌器。攪拌釜內(nèi)流場整體區(qū)域的六面體網(wǎng)格總數(shù)為486 398。

1.3? 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

采用Edit Mesh命令中的Display Mesh Quality功能進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。網(wǎng)格度量參數(shù)如表2所示,除最小角度指標外,各參數(shù)的值越接近1,表示所生成的網(wǎng)格質(zhì)量越好,而最小角度的指標值越接近90°越好[16,17,19,20]。釜底面的曲率半徑較大,與水平面的夾角較小,是造成整體網(wǎng)格長寬比指標值較低(未能達到0.3以上)的主要原因,但其余各指標值均在0.3以上。如果所檢測的各評價指標值較低,則網(wǎng)格質(zhì)量較差,可通過調(diào)節(jié)節(jié)點函數(shù)與移動節(jié)點的方式來提高網(wǎng)格質(zhì)量,而網(wǎng)格的大小則可通過調(diào)節(jié)比例縮放因子的方法來調(diào)整,以便對其進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證??偟膩碚f,由六面體網(wǎng)格所劃分的攪拌器內(nèi)流場網(wǎng)格質(zhì)量較好(平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.96,接近1),但還應(yīng)結(jié)合實際的流場計算結(jié)果進行對比分析。

2? 數(shù)學(xué)模型及計算方法

由于本文所選案例的雷諾數(shù)在4 000以上,流態(tài)為完全湍流[12],故選擇適用于高雷諾數(shù)的湍流模型——標準湍流模型。描述水流的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和標準湍流模型方程如下[21-23]。

采用標準湍流模型與多參考模型(MRF)進行單相流數(shù)值模擬,流動介質(zhì)為水,設(shè)置為不可壓縮流動。壓力與速度耦合求解選用SIMPLE算法,對流擴散項采用二階迎風格式。計算域與邊界條件可參考圖2,攪拌器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為100 r/min。壁面邊界采用無滑移邊界條件,近壁處理為標準壁面函數(shù)。迭代步數(shù)為2 000步,殘差收斂精度為10-4。在穩(wěn)態(tài)的殘差曲線收斂后,轉(zhuǎn)為瞬態(tài),并采用滑移網(wǎng)格模型繼續(xù)進行求解計算,直至收斂。時間步長取為0.001,計算周期為6T(一般可選取3~6個周期)。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1? 流場分布

分別記軸向截面Y=0和徑向截面Z=0為Y0和Z0。圖7為Y0的速度矢量與流線圖,其長度矢量與速度的范數(shù)成正比[24]??梢钥闯?,液體在釜內(nèi)軸向形成了“雙循環(huán)”流型[18,24,25],軸向“下循環(huán)”的攪拌效果要優(yōu)于軸向“上循環(huán)”,越靠近釜頂和攪拌軸,攪拌效果越差,越易形成死區(qū)[4,26]。同時還可以看出,攪拌器所形成的渦旋較為發(fā)散,渦心位置較靠近擋板,不利于物料的混合。對此,可采用雙層渦輪式攪拌器來代替單層渦輪式攪拌器,以提高攪拌效果[5]。此外,在攪拌器下方連接釜底的“錐形區(qū)域”內(nèi),形成了沿軸向呈對稱分布的雙環(huán)形小渦(回流死區(qū)),其混合效果較差,易造成物料堆積,可通過安裝誘導(dǎo)錐的方式來減小回流區(qū),并增大湍流強度[27];同時,該釜底回流死區(qū)的范圍與離底高度成正比,可適當降低攪拌器的安裝位置來減小釜底回流死區(qū)[5]。

3.2? 湍動能與湍流耗散率分布

圖8a為Z0的湍動能云圖,現(xiàn)將其劃分為三個區(qū)域,即擋板區(qū)域、葉輪區(qū)域和葉輪與擋板間的環(huán)流區(qū)域[24]。由于葉輪區(qū)域的湍動能大于環(huán)流區(qū)域與擋板區(qū)域,因此葉輪區(qū)域高度湍動,攪拌效果最好,其次為環(huán)流區(qū)域,而擋板區(qū)域攪拌效果最差,易形成死角。圖8b為Z0的湍流耗散率云圖,葉輪后方的尾渦區(qū)域湍流耗散率相比其他區(qū)域較高,且沿攪拌器中心呈周向分布,表明該區(qū)域的能耗較高,應(yīng)適當減小,以降低攪拌器的功率消耗。

3.3? 速度分布

圖9a為Z0的速度云圖與矢量圖??梢钥闯?,葉輪區(qū)域的流體速度相比環(huán)流區(qū)域較大,尤其在葉輪外緣切向速度最大,其有利于葉輪攪拌區(qū)的分散與混合作用[28]。環(huán)流區(qū)域的穩(wěn)定性較好,但相比葉輪區(qū)域湍動性較差,葉輪后方的尾渦會使功耗增大,應(yīng)盡量避免。同時從圖9b中發(fā)現(xiàn),葉輪外緣區(qū)域的液體旋向與環(huán)流區(qū)相反,這可能是因為速度延遲效應(yīng)存在于葉輪外緣區(qū)域。

圖10為橫截面上(Z=0)的時均速度徑向分布,取左側(cè)區(qū)間(X=[-0.3, 0])進行分析,可以看出各速度分量沿軸向呈對稱分布且不失一般性。葉輪區(qū)域以切向流為主、軸向流為輔,徑向速度小于切向速度,且峰值約為切速度峰值的0.25倍。速度的負號反映了回流區(qū)的存在[26],軸向速度從幾何中心向壁面呈先增后減再增再減的趨勢,速度符號變化了兩次,這說明液體參與了軸向的“雙循環(huán)”流型,其峰值處可認為是葉輪的射流區(qū)[25]。從徑向速度分布可以發(fā)現(xiàn),葉輪區(qū)域與環(huán)流區(qū)的液體旋向相反且在葉輪后方存在尾渦,與圖9b的Z0速度矢量分布一致。

圖11為釜底橫截面上(Z=0.18)的軸向速度徑向分布,取左側(cè)區(qū)間(X=[-0.216, 0])進行分析可以看出,軸向速度呈對稱分布,且其正負號變化了兩次并有第三次變化的趨勢,這說明釜底的“錐形區(qū)域”內(nèi)存在兩個環(huán)形小渦,與圖7b所示的釜底流線分布一致,應(yīng)盡量避免。

4? 結(jié)束語

為研究六直葉開啟渦輪式攪拌器內(nèi)流場的網(wǎng)格劃分方法與其流動特性,采用ANSYS ICEM CFD軟件,對攪拌器進行了建模與數(shù)值模擬分析,得到以下結(jié)論:

(1)由六面體網(wǎng)格所離散的攪拌器內(nèi)流場網(wǎng)格質(zhì)量較好,平均網(wǎng)格質(zhì)量可達到0.96,能夠很好地刻畫徑向流的典型特征,并較準確地模擬攪拌器內(nèi)流場問題。

(2)所模擬的六直葉開啟渦輪式攪拌器混合效果較差,在靠近釜頂、攪拌軸區(qū)域與釜底的“錐形區(qū)域”內(nèi)易形成回流死區(qū),造成物料堆積,應(yīng)通過安裝誘導(dǎo)錐、適當降低攪拌器的安裝位置等方式減小回流死區(qū),以提高攪拌器的混合效果。

參考文獻

[1] Kroll N, Bieler H, Couaillier V, et al. ADIGMA-A European Initiative on the Development of Adaptive Higher-Order Variational Methods for Aerospace Applications: Results of a collaborative research project funded by the European Union,2006-2009[M]. Springer, 2010.

[2] Gnatowska R. A Study of Downwash Effects on Flow and Dispersion Processes around Buildings in Tandem Arrangement[J]. Polish Journal of Environmental Studies, 2015, 24(4): 1571-1577.

[3] 劉志軍. CFD技術(shù)在化工機械設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2020(2): 187-188.

[4] 張云電, 董昌帥, 儲瑞, 等. 反應(yīng)釜內(nèi)攪拌混合特性研究[J]. 機電工程, 2017, 34(10): 1101-1105.

[5] 張慧敏, 廖輝良, 胡守明, 等. 單雙層渦輪式攪拌器的流場分析與對比[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報, 2016, 37(9): 270-273.

[6] 周勇軍, 袁名岳, 徐昊鵬, 等. 三葉后掠-HEDT組合槳攪拌釜內(nèi)流場的模擬及實驗[J]. 化工學(xué)報, 2019, 70(12): 4599-4607.

[7] Luan D, Zhang S, Wei X,et al. Effect of the 6PBT stirrer eccentricity and off-bottom clearance on mixing of pseudoplastic fluid in a stirred tank[J]. Results in Physics, 2017(7): 1079-1085.

[8] Zhang P, Chen G, Duan J, et al. Mixing characteristics in a vessel equipped with cylindrical stirrer[J]. Results in Physics, 2018(10): 699-705.

[9] Jiang Z, Zhang L, Yao Q, et al. Agitator dependent homogeneity enhancement of co-precipitation reaction for improving the dispersibility of precursors and Y2O3 powders[J]. Ceramics International, 2017, 43(18): 16121-16127.

[10] Li L, Xu B. Numerical simulation of hydro-dynamics in an uncovered unbaffled stirred tank[J]. Chemical Papers, 2017, 71(10): 1863-1875.

[11] 莫惠珺, 范海濤, 王明玥, 等. 型式結(jié)構(gòu)對雙曲面攪拌器流場影響的數(shù)值模擬[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2019, 13(5): 1119-1127.

[12] 胡志梁, 于新海, 賴煥新. 擬塑性流體在六直葉攪拌器中的模擬與比較[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2019, 45(4): 660-668.

[13] 張慧敏, 廖輝良, 胡守明, 等. 開啟渦輪式攪拌器的流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報, 2016, 37(6): 58-63.

[14] Sosnowski M, Krzywanski J, Gnatowska R, et al. Polyhedral meshing as an innovative approach to computational domain discretization of a cyclone in a fluidized bed CLC unit[J]. E3S Web of Conferences, 2017, 14: 01027.

[15] 王寧, 蘇新兵, 馬斌麟, 等. 網(wǎng)格類型對流場計算效率和收斂性的影響[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 19(1): 9-14.

[16] 王純, 劉艷梅, 周濤, 等. 基于ICEM CFD對汽輪機末級三維葉片流場網(wǎng)格劃分方法的優(yōu)化[J]. 汽輪機技術(shù), 2012, 54(5): 324-326.

[17] 中華人民共和國國家標準: 有機產(chǎn)品: GB/T 19630.1-19630.4-2011 [S]. 北京: 中國標準出版社, 2012.

[18] Vakili M H, Esfahany M N. CFD analysis of turbulence in a baffled stirred tank, a three-compartment model[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(2): 351-362.

[19] 丁源, 王清. ANSYS ICEM CFD從入門到精通[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013.

[20] 張曉東, 張培林, 傅建平, 等. 雙方程湍流模型對制退機內(nèi)流場計算的適用性分析[J]. 爆炸與沖擊, 2011, 31(5): 516-520.

[21] 紀兵兵. ANSYS ICEM CFD 網(wǎng)格劃分技術(shù)實例詳解[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2012.

[22] 劉國勇. 流體仿真與應(yīng)用[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2017: 24-25.

[23] 劉玉玲, 李東旭, 李盼盼, 等. 攪拌器內(nèi)轉(zhuǎn)輪半徑對氣液混合影響的數(shù)值模擬研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報, 2017(2): 14-18.

[24] Chen T, Wang L Q, Wu D Z, et al. Investigation of the mechanism of low-density particle and liquid mixing process in a stirred vessel[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2012, 90(4): 925-935.

[25] 武光霞. 渦輪式組合攪拌器流場模擬研究[D]. 青島: 青島科技大學(xué), 2014.

[26] Ameur H, Ghenaim A. Mixing of Complex Fluids in a Cylindrical Tank by a Modified Anchor Impeller[J]. ChemistrySelect, 2018, 3(26): 7472-7477.

[27] 付雙成, 付飛, 鞏建鳴, 等. 基于FLUENT攪拌釜底部回流區(qū)的數(shù)值模擬研究[J]. 石油機械, 2016, 44(8): 102-107.

[28] 王學(xué)濤, 崔寶玉, 魏德洲, 等. 絮凝攪拌器內(nèi)部流場特性數(shù)值模擬[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 39(10): 1442-1446.

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