混合池內(nèi)雙層槳混合過程的數(shù)值模擬分析

1、<p>　　混合池內(nèi)雙層槳混合過程的數(shù)值模擬分析</p><p>　　[摘 要]許多液體的萃取工藝過程中，混合液的充分、均勻混合是至關(guān)重要的，混合時(shí)間是評(píng)定一個(gè)攪拌設(shè)備混合效果的重要尺度?；旌蠒r(shí)間短，則混合效率高，所以縮短混合時(shí)間對(duì)整個(gè)萃取效率的提高至關(guān)重要。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制的攪拌設(shè)備混合溶劑型油漆的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。分析這種自制的攪拌槳層間距的改變對(duì)混合時(shí)間的影響，為攪

2、拌槳的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論指導(dǎo)和新思路。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]混合時(shí)間 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 數(shù)值模擬 攪拌槳 </p><p>　　中圖分類號(hào)：F426.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）07-0292-01 </p><p><b>　　1.模型 </b></p><p>　　隨著計(jì)算

3、機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法對(duì)液體的混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬[1]，研究混合池內(nèi)混合液的速度場、壓力場與混合時(shí)間。利用FLUENT軟件中標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon雙方程模型對(duì)均勻轉(zhuǎn)速為300r/min攪拌槳混合由無機(jī)相與有機(jī)相組成的混合液的混合時(shí)間進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析層間距為131mm，133mm，135mm，137mm，139mm，141mm，143mm，145mm，147mm，151mm時(shí)混合池內(nèi)液體的混合

4、時(shí)間，確定混合時(shí)間最短時(shí)的層間距。攪拌槳如圖1所示的雙層槳葉結(jié)構(gòu)，底層槳葉距混合池底部為40cm，上層平直槳葉長150mm，高70mm，厚度8mm，底層圓直徑140mm，軸直徑40mm，混合池的有效容積為150L。 </p><p><b>　　2.模擬的方法 </b></p><p><b>　　2.1 網(wǎng)格劃分 </b></p>

5、<p>　　運(yùn)用FLUENT中的兩相流模型，以水作為無機(jī)相與萃取劑P507作為有機(jī)相組成混合液模擬混合過程。P507是一種酸性磷型萃取劑，為無色或油狀透明液體，分子式是（C8H17）2HPO3，分子量為306.4，燃點(diǎn)為228 C，低毒，密度（20C）=（930～960）kg/m3，粘度=36±3mPa.s。將整個(gè)模型計(jì)算域分為旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的槳葉區(qū)域和靜止的槳外區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，設(shè)定網(wǎng)格單元（Elem

6、ents）為Tet/Hybrid，劃分方式（Type）為TGrid（四面體混合網(wǎng)格），槳葉區(qū)的網(wǎng)格間距大小（Interval size）為13mm，槳外區(qū)的為26mm。整個(gè)混合池的網(wǎng)格劃分如圖2所示。 </p><p>　　2.2 加入示蹤劑 </p><p>　　模擬計(jì)算時(shí)通過測量某一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的示蹤劑濃度值達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%所用的時(shí)間來表示混合時(shí)間。用FLUENT模擬計(jì)算示蹤劑濃度隨

7、時(shí)間變化的過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)問題，目前的計(jì)算方法有兩種[2]：一種方法是在非穩(wěn)態(tài)下同時(shí)求解所有的數(shù)值方程，這種方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，占用內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間大；另一種方法是將動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程分開單獨(dú)求解。這兩種方法雖然計(jì)算過程有所不同，但所得到的結(jié)果卻是一致的，本文考慮到第二種方法可以大大地縮短計(jì)算時(shí)間，所以采用第二種方法。具體的做法是：首先在穩(wěn)態(tài)下解算流動(dòng)場方程，待流動(dòng)場穩(wěn)定后，再鎖定動(dòng)量、湍流變量等數(shù)值方程，單獨(dú)求解濃度場方程。一

8、般情況下選取能與水互溶的NaCl或KCl[3]作為示蹤劑，本文選取NaCl作為示蹤劑。 </p><p>　　2.3 條件與模型的設(shè)置 </p><p>　　確定好示蹤劑的加入點(diǎn)位置后，就可定義示蹤劑的初始濃度，利用FLUENT軟件初始化功能中的打補(bǔ)丁功能（Patch）。具體的做法是：定義球體內(nèi)示蹤劑初始濃度值為1，定義混合池內(nèi)其余位置示蹤劑濃度值為0。檢測某一監(jiān)測點(diǎn)的示蹤劑濃度值變化，混

9、合時(shí)間為當(dāng)濃度值達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%所用的時(shí)間。 </p><p>　　模擬混合過程時(shí)還要啟用FLUENT軟件中的物質(zhì)傳遞模型（Species Model），激活組分運(yùn)輸項(xiàng)（Species Transport）計(jì)算示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化，進(jìn)行單純的混合時(shí)不激活反應(yīng)項(xiàng)（Reactions）。 </p><p>　　2.4 收斂殘差設(shè)置 </p><p>　　在解算方

10、程時(shí)，用殘差表示模擬計(jì)算得到的近似值與精確值之間的誤差，根據(jù)需要，設(shè)置示蹤劑濃度的收斂殘差為10-5。 </p><p>　　設(shè)置好收斂殘差后就可設(shè)置時(shí)間步長，根據(jù)混合過程模擬的需要選擇合適得到時(shí)間步長以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，步長太大會(huì)導(dǎo)致解算方程不收斂，太小則占內(nèi)存且計(jì)算時(shí)間長。有許多學(xué)者的研究結(jié)果表明，時(shí)間步長與攪拌槳轉(zhuǎn)速及混合液流動(dòng)的循環(huán)時(shí)間有關(guān)，并且與攪拌槳轉(zhuǎn)速的倒數(shù)存在一定的比例關(guān)系，一般小于轉(zhuǎn)速倒數(shù)的1/

11、10[4]。本次模擬混合過程時(shí)攪拌槳的轉(zhuǎn)速是300r/min，因此時(shí)間步長取0.0002s。 </p><p><b>　　3.結(jié)果分析 </b></p><p>　　3.1層間距改變時(shí)混合時(shí)間比較 </p><p>　　液體的混合過程是在完全湍流狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流的強(qiáng)制擴(kuò)散過程，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌槳葉輪把機(jī)械能傳遞給混合液，使混合液發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流。

12、強(qiáng)制擴(kuò)散由三個(gè)過程組成：主體對(duì)流擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散。轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪帶動(dòng)液體形成全池范圍內(nèi)的“宏觀流動(dòng)”稱為主體對(duì)流擴(kuò)散。高速流動(dòng)的液體通過靜止或者速度比其較低的液體時(shí)，使分界面上的液體受到強(qiáng)烈的剪切，導(dǎo)致這部分液體速度變化非常快，形成大量的漩渦迅速向周圍擴(kuò)散，即渦流擴(kuò)散。主體對(duì)流擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散都不能使液體達(dá)到完全意義上分子的均勻混合，只有分子擴(kuò)散才能使液體達(dá)到完全混合均勻的狀態(tài)。 </p><p>　　表1給出

13、了攪拌槳不同層間距時(shí)在底部FB加料，P2檢測時(shí)的混合時(shí)間。層間距的改變直接影響到液體的混合時(shí)間，層間距為141mm時(shí)，示蹤劑擴(kuò)散速率最快，混合時(shí)間最短，由此可以得到本次模擬所用的攪拌槳有一個(gè)對(duì)應(yīng)混合時(shí)間最短的最佳層間距是141mm。需要指出的是，混合時(shí)間只是在特定條件下的模擬值，除了與攪拌槳轉(zhuǎn)速有關(guān)之外還與模擬時(shí)所選的湍流模型、變量的離散方法等有關(guān)，用多重參考系法和標(biāo)準(zhǔn)模型模擬的混合時(shí)間比試驗(yàn)值大20%左右[6]。但是同等條件下的模擬結(jié)

14、果還是能夠反映攪拌槳的混合速率。 </p><p><b>　　4.結(jié)論 </b></p><p>　　本文利用FLUENT中的MRF方法和標(biāo)準(zhǔn)模型模擬研究了雙層槳攪拌池內(nèi)的混合過程，得到如下結(jié)論： </p><p>　　（1）模擬了10組層間距不同時(shí)雙層槳的混合過程，模擬結(jié)果表明：層間距不僅能夠影響池內(nèi)液體的流場分布狀態(tài)，而且對(duì)加入的示蹤劑擴(kuò)

15、散速率也有很大影響，也就是說直接影響液體的混合時(shí)間。 </p><p>　　（2）選取了層間距為131mm和141mm時(shí)的攪拌槳在同一加料點(diǎn)不同時(shí)刻同一時(shí)間點(diǎn)的示蹤劑濃度分布圖，從圖中可以直觀看到示蹤劑在不同時(shí)刻的擴(kuò)散狀態(tài)。對(duì)比同一時(shí)間點(diǎn)兩個(gè)槳池內(nèi)的濃度分布圖，可以直觀地看到層間距為141mm時(shí)，示蹤劑濃度擴(kuò)散速率更快，混合過程更迅速。 </p><p>　　（3）對(duì)比FLUENT模擬得到

16、的幾組數(shù)據(jù)可知：攪拌槳層間距為141mm時(shí)的混合時(shí)間最短，即最佳層間距為141mm，這個(gè)層間距的攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)液體產(chǎn)生連接流，上下兩層槳葉的干擾最小，液體混合效果最好。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.14-34 </p><p>　　[2

17、] 張國娟，閔健，高正明.渦輪槳攪拌槽內(nèi)混合過程的數(shù)值模擬[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，6 </p><p>　　[3] 溫文.攪拌釜式反應(yīng)器計(jì)算流體力學(xué)模擬[D].江蘇：江南大學(xué)，2008 </p><p>　　[4] 楊鋒苓.擺動(dòng)式攪拌流場與混合過程的數(shù)值模擬[D].山東：山東大學(xué)，2007 </p><p>　　[5] 毛德明.多層槳攪拌釜內(nèi)流動(dòng)與混合的