搅拌器内部流场数值模拟

专业搅拌器厂家生产的搅拌器是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件，是以桨叶旋转来混合流体的设备，用于混合不同的物质。搅拌器使用非常广泛，在各个领域中都有应用。搅拌作是工业过程的基础环节，提高搅拌效率意义重大，高效混合流体是搅拌器的Z终目的[6]。计算流体动力学(简称CFD)技术具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验和流动诊断等作用。Fluent软件是目前处于世界领先地位的商业CFD软件包之一，是模拟和分析复杂几何区域内流体流动的专用软件.数值模拟是一种寻求提高搅拌叶轮性能的设计思想和设计方案中Z快、Z经济的方法。本文采用CFD技术用Fluent软件来模拟在不同桨叶直径、转速和桨叶数的情况下，得出搅拌器内流场分布图像，故而可以直接观看到它的内部流动情况，以期为搅拌器的优化设计工作提供参考。

　　1数值模拟过程

　　本文研究的是桨叶直径、桨叶转速、桨叶数对搅拌器搅拌性能的影响.采用桨叶直径分别为400mm(长H=190mm，宽L=20mm)、500mm(长H=240mm，宽L=20mm)、600mm(长H=290mm，宽L=20mm)以研究桨叶直径对搅拌器的影响.采用桨叶转速分别为2rad/s、4rad/s、6rad/s以研究桨叶转速对搅拌器的影响.采用四叶桨式搅拌器、六叶桨式搅拌器、八叶桨式搅拌器，浆片都是直列式，以研究桨叶数对搅拌器的影响.搅拌桶的半径R=40cm，坐标系原点位于搅拌叶轮中心，基于旋转的速度和工质水，可以确定搅拌器内部流动为湍流.

　　2.1建立模型

　　搅拌器二维模型使用Gambit建立，

　　2.2边界条件

　　调节条件：将搅拌桶的外壁和搅拌器桨叶的边定义为Wall环形面和内部的面交界处是两条重合的边，设置它们为Interface 边界条件，名称分别叫做“interface-1和“interface-2”.由于使用的是MRF模型，还需要定义区域，即对不同的子域进行命名.指定外面环面的类型为Fluid，名称为“stationary”;指定内部的面类型为Fluid，名称为“swirl”.

　　2.3求解计算

　　Fluent软件选择单精度二维求解器;设置计算区域尺寸和单位制尺寸中的网格尺寸按厘米进行生成;使用压力基求解器;湍流模型选择k-epsilon双方程模型;定义流体的物理性质中，在Fluent Database中调出水的物理参数;求解控制参数的设置中，差分格式采用一阶迎风方式，压力-速度耦合求解方式中选择Simple算法.

　　3结果及分析

　　3.1桨叶直径的影响

　　以四叶桨式搅拌器为例，2rad/s的桨叶转速，分别模拟桨叶直径为400mm、500mm、600mm的桨叶

　　结果分析：随着桨叶直径的增大，使整个搅拌设备内的流场分布更均匀，流体混合更充分，搅拌器内速度分布变好，速度在各个区域内都很同步，但桨叶直径的增大，使得材料用量增加，制造费用提高，安装麻烦，还会增加其本身的受力，使其使用寿命降低.

　　3.2桨叶转速的影响

　　以四叶桨式搅拌器为例，桨叶直径为400mm，分别对桨叶转速为2rad/s、4rad/s、6rad/s进行数值模拟

　　结果分析：从图8~10的速度矢量图中可以看出，随着转速的提高，搅拌器内流场分布更加均匀，搅拌效果明显增强，但是转速的提高会加大搅拌轴的受力，电机功率也会增大，能耗增加，从而可能导致搅拌器和搅拌轴的结构尺寸需要重新设计.

　　3.3桨叶数的影响

　　本文以桨叶尺寸直径为400mm 转速为2rad/s为例，分别对四叶桨式搅拌器、六叶桨式搅拌器、八叶桨式搅拌器进行数值模拟，

　　结果分析：从图11~13的速度矢量图可以看出，随着桨叶数的增加，搅拌器内的搅拌效果得到增强，流场分布比较均匀，但效果不是很明显.同时增加桨叶数会带来一些负面效果，它会增加材料用量从而使得成本增加;也会使得材料应力增大，减少使用寿命，因此对于增加桨叶数的方法来提高搅拌效果应该综合各方面考虑，选择合适的桨叶数.

　　4结语

　　搅拌器桨叶直径、桨叶转速和桨叶数的增加有利于搅拌的混合均匀，但是桨叶直径和桨叶数的增加不仅使得搅拌器桨叶加工复杂，技术要求高，而且使得材料用量增加，成本也会提高;桨叶转速也受制于搅拌器和搅拌轴的结构尺寸，不能一味地增大.只有考虑各种因素，才能确定出Z经济Z合适的桨叶直径、转速和桨叶数。