搅拌浆液池固-液两相流搅拌的数值模拟

　　搅拌设备广泛地应用在化工、冶金、能源、环境等各行各业中,如何准确模拟和描述搅拌浆液池中的流动状况和混合过程,是众多搅拌设备设计者所关心的问题,在实现混合的过程中,轮转的搅拌推流形式起着重要的作用,不同的转轮造成的搅拌推流效果差别很大,而不同的生产过程有不同的搅拌目的[1]。

　　本研究将模拟固-液两相流情况下,对浆液池中的液体流动情况进行模拟,并分析搅拌混合后体积分数的分布,以期望对搅拌器的设计研究和应用提供帮助.

　　1　浆液池内搅拌模拟的研究

　　目前,对搅拌混合这种古老的单元操作过程的研究尚未形成完整的理论体系,主要还是依靠一些传统的设计方法,基于单位体积功率、雷诺数或叶端线速度等放大准则仍在使用[2]。实践证明,按上述方法设计优化的搅拌器有许多不是处于最佳的工作状态,造成很多物力、人力的浪费。随着新产品及新技术的发展,对过程中流体的混合效果、传热及传质提出了更高的要求。传统设计方法的可靠性越来越受到人们的质疑。CFD ( computational fluid dyna-mic)正是顺应这种趋势在搅拌混合过程的研究中得到广泛应用的[3]。

　　然而,搅拌器中的流动场是非常复杂的,由液面、池壁和挡板、搅拌桨和搅拌轴所围成的流动域是随时间变化的。为了解决运动的桨叶和静止的挡板之间的相互作用,许多研究者提出了各自不同的解决办法,这就是我们经常提到的几种模拟的模型:“黑箱”模型法、动量源法、内外迭代法、滑动网格法、多重参考系法(MRF)。其中MRF是将整个浆液池分成两个部分,搅拌桨区域和桨外区域。搅拌桨区域采用旋转坐标系,桨外区域采用静止坐标系,两个小区域在交界面上的速度通过interface面转换来实现。由于MRF模拟所得的平均速度的计算值和试验数据基本一致,湍动能的计算结果和试验结果吻合得较好[4]。所以本模拟采用MRF进行模拟。

　　2　数值模拟

　　2. 1　模拟的基本参数

　　浆液池直径D=5 000 mm,液体高度H=D,四块挡板,搅拌器离底高度h=1 500 mm,转速n=500r/min,介质为水和固体小颗粒,固体体积分数φ=10%,固体的颗粒密度ρ=2. 65 g/cm3,颗粒直径1~3 mm。搅拌器的参数为外径2 000 mm,轮毂直径500 mm,安放角12. 3°~41°,叶片数2片。

　　2. 2　网格的划分

　　本研究应用前处理器Gambit生成网格。由于模拟所选用的搅拌桨的结构不规则,浆液池内的网格划分采用非结构化网格。对于模型的处理,把搅拌器附近区域的部分设为搅拌桨区(如图1),把浆液池中其他区域设为桨外区(如图2)。搅拌桨区是半径为2 000 mm,高500 mm的柱形区域,其中心为下表面的圆心,桨外区是扣除搅拌桨区外的区域,其中心与搅拌桨区域相同。其中搅拌桨区网格数为88 872,桨外区网格数为185 502。然后应用Tgrid的软件进行合并成为一个整体。