資源描述：
《多層槳式攪拌器內混合過程的數值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、中國工程熱物理學會2006年學術會議論文流體機械編疊：067002多層槳式攪拌器內混合過程．的數值模擬杜紅霞吳大轉王樂勤(浙江大學化工機械研究所310027杭州)Tel：0571—87952406Email：wudazhuan@zju．edu．an摘要t為分析工業(yè)攪拌罐內的流動和傳熱等情況，并為攪拌器的優(yōu)化設計提供基礎，本文對三層槳式攪拌罐內的混合過程進行了三維數值模擬，采用多重參考系法(MRF)及標準七一s模型，分析7"8種不、同工況下的攪拌功率、罐壁和物料問傳熱系數分布情況。通過攪拌混合過程的非定常多相流計算，獲得相分率隨時問的變化歷程，并由此得到攪拌過程的混合時間．結果表明
2、，流動模擬町獲得詳細的流場分布，并獲得各項特性參數。高粘度條件下，增大槳葉直徑可有效提高表面?zhèn)鳠嵯禂?，同時功率也明顯上升，混合時間的計算町為工業(yè)攪拌過程提供工藝參考．關鍵詞：數值模擬；攪拌功率；傳熱；混合時間；槳式攪拌器1引言攪拌器被廣泛應用于化工、冶金、生化、食品等許多工業(yè)過程中。根據操作目的的不同，攪拌器幾何形狀和攪拌槳類型有很大的差別。由于攪拌器的復雜性和多樣性，目前采用的半經驗設計方法，存在設計過程復雜，周期長，結構難以最優(yōu)化等缺陷?。近年來，基于計算流體動力學(CFD)的預測技術在攪拌器設計方面得到廣泛應用，在一定程度上彌補了這一缺陷。CFD方法具有性能預測、內部流動仿
3、真、數值實驗、流動診斷等作用。對于重要工藝過程中的攪拌設備，對攪拌罐中流動和傳熱等情況進行CFD模擬非常重要，因為流動和傳熱等情況的研究是優(yōu)化攪拌器設計的基礎，可以為傳統(tǒng)的放大準則提供有效的補充，對于攪拌設備的放大設計具有指導意義。國內外學者對攪拌罐內流體流動展開了廣泛的實驗研究利數值模擬¨刪，但對攪拌功率、傳熱系數和混合時間的綜合討論未見廣泛報導。傳熱系數的分布影響著攪拌罐內的溫度場，攪拌罐內溫度的分布對許多生化反應的進行極為重要，溫度不符合工藝要求會導致酶活性改變、副反應增加及產量下降，最終影響產品的質量。因此，獲得傳熱系數的分布情況是1}常必要的。隨著能源問題的不斷加劇。攪
4、拌器的節(jié)能技術引起了更為廣泛的關注，若能在滿足工藝要求的前提下盡可能地降低能耗，對于攪拌設備的大型化將具有重要意義。同時，混合時間也是制定工藝過程和設計過程中需考慮的重要參數，但以往大多需要通過實驗獲得。本文采用了計算流體力學分析軟件Fluent，研究了三層槳式攪拌罐內流場的速度分布、攪拌功率、平均傳熱系數和混合時間，以期對槳式攪拌器的優(yōu)化設計有所指導。2物理模型和計算方法攪拌罐幾何模型采用某食品設備制造有限公司研發(fā)制造的一個配方罐。罐體為中間圓柱形筒體，上端為標準橢圓封頭，’卜．端為錐形封頭，槳葉為弧形槳葉，攪拌器的結構、工作條件和物料主要特性參數如表1所示。罐體和攪拌器的三維
5、模型剖視圖如圖l所示，模型真實地模擬了其實際操作條件。．采用多重參考系法解決了靜止部件和轉動的攪拌槳之間的相對運動問題，將計算域分為兩個區(qū)域，內部區(qū)域包括旋轉的槳葉，外部區(qū)域包括靜止的擋板和壁面。攪拌器內212流域由液面、罐壁、攪拌槳、擋板和攪拌軸組成，其中，自由液面采州滑移的壁面假毆。網格創(chuàng)建采用分塊技術，對內部區(qū)域進行加密，以增加計算的精度，流域網格圖如圖2所示。本文采用CFD軟件FLUENT進行模擬計算，選削標準J
6、}一占模型進行模擬，P}jSIMPLE方法進行壓力和速度的耦合。表l攪拌罐、物料主要特性參數參考外型尺寸，轉速／mm×mmr／n瞳n擋板數物料警7，物料J／(比
7、g,熱容K)7物料W／(導熱m-K射)Kg／mJ3800X4800534130041800．6’-_●_●----一Il__●--l●__-___ll-__●l-____●__●●●-l______l_●●●●●____●____-----_--_-●_-●●____一圖l攪拌罐三維造型圖圖2流域網格圖3特性參數的計算方法和結果分析3．1流場分布對槳葉直徑為1．55m、物料粘度為700cP的工況的流場模擬結果截取軸截面和橫截面速度矢量圖。圖3軸截面速度矢量分布圖圖4中槳橫截面速度矢量圖從圖3可看出，三層槳葉形成了兩個循環(huán)流，在上槳靠近罐壁區(qū)域形成了一個較大的循環(huán)，在中槳和下槳端部
8、之問形成了一個較小的循環(huán)，整個流域基本都處于循環(huán)流的影響范圍¨訓。從圖4可看出，槳葉攪動物料形成漩渦，罐壁附近無死角，整體攪拌效果較好?；诹鲌龇治龅玫降慕Y果，通過積分和平均得到攪拌功率、平均傳熱系數和混合時間等特性參數。3．2攪拌功率攪拌功率的大小是罐內物料攪拌程度和運動狀態(tài)的度量，同時又是選擇電機功率的依據。攪拌功率取決于所期望的流型和湍動程度。是攪拌罐尺寸、物料特性、槳葉外形尺寸和位置、攪拌軸轉速和內部附件(有無擋板及其他障礙物)的函數?’。攪拌槳在流場中所受力為壓力和枯性
