基于FLUENT的搅拌机械内部流场模拟研究

　　1 CFD 技术在搅拌机械中的应用

　　传统的搅拌器的设计是以实验为基础的设计，设计周期长，费用较高，CFD 的运用改变了传统的设计过程，由于 CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场等时变特性，可以较准确预测搅拌机械的整体性能，并从对流体的分析中发现产品或工程设计 中的问题，减少未预料到的负面影响，这样产品设计或优化对实验的依赖性大为减少，能够显著缩短设计周期，降低费用。

　　搅拌设备主要是以搅拌器旋转混合流体的机械，操作目的主要是混合液体，促进传热、传质、化学反应等，设计和优化的最终目的是高效地混合流体、促进传热等。因此，弄清楚搅拌设备内部流体的流动情况，对设计和改进搅拌设备的效率有着重要的作用。

　　2 FLUENT 软件的主要特点

　　FLUENT 软件是美国FLUENT 公司经过多年开发改进的一种适用范围广泛、功能强大、适合于工程问题计算流体力学(CFD)软件。FLUENT 是目前功能最全面，适用性最广，国内使用最广泛的CFD 软件之一。

　　FLUENT 程序软件包由以下几个部分组成：

　　(1)GAMBIT—用于建立几何结构和网格的生成。

　　(2)FLUENT—用于进行流动模拟计算的求解器。

　　(3)prePDF—用于模拟 PDF 燃烧过程。

　　(4)TGrid—用于从现有的边界网格生成体网格。

　　(5)Filters(Translators)—转换其他程序生成的网格，用于FLUENT 计算。

　　FLUENT 软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。在最新的 FLUENT 软件中，还加入了噪声模型。对每一种物理问题的流动特点都有适合的数值解法。FLUENT 软件的后置处理器具有三维显示功能，可以展现各种流动特性，有的还能以动画的形式演示非定常过程。

　　FLUENT 软件的基本程序结构如图1 所示。

　　3 实例模拟

　　搅拌过程设计流体的流动、传热和传质，影响因素复杂繁多，主要包括流动状态、物性、操作条件、几何因素等，其中操作条件包括搅拌器的型式、转速等。这里主要对不同转速条件下搅拌器内的流场进行分析。

　　(1)模型的建立，以某厂用的开启涡轮直叶式搅拌器内部流场进行模拟，原始参数如下：尺寸：外筒直径1500mm，搅拌器叶长400mm，搅拌 器转速0.5~3.0rad/m。把搅拌器近似地用二维来分析，搅拌器的简化模型如图2。经过进一步的简化等步骤后进行网格划分和设置，网格划分结果如图 3。