侧进式搅拌器混合过程的CFD模拟*

中国环境学会  2011年 03月31日


  方键1,凌祥1,桑芝富1,杨全保2
  (1.南京工业大学 机械与动力工程学院 江苏 南京  210009;025-83587309
  2.江苏省法尔机械制造有限公司 江苏 靖江 214537)


  摘 要  使用CFD软件FLUENT 6.3对侧进式搅拌器运行下搅拌槽内的流体流动特征、混合过程进行了数值模拟。计算采用多重参考系方法和标准k-ε湍流模型,研究了不同的示踪剂加料点、监测点位置、搅拌轴偏转角对混合时间的影响规律。研究结果表明,侧进式搅拌槽内的混合过程由槽内流体流动形式控制;不同加料点及监测点位置对混合时间有一定的影响,桨叶尖端附近加料及槽底部监测所得到的混合时间最短;搅拌轴最佳垂直及水平偏角分别为αopt=10°,βopt=5°。
  关键词:侧进式搅拌器;CFD;混合时间;偏转角
   
  1 引 言


  侧进式搅拌器具有搅拌功耗较低,搅拌桨直径相对较小,功率利用率高等特点,且安装位置比较特殊,可应用于一些大型储罐以及顶进式搅拌器无法满足的场合,因而大量应用于石油化工、造纸、食品、废水处理等行业。近年来随着人们环保意识的增强,环境问题已经成为世界各国关注的热点。被列为大气污染首位的SO2的排放受到严格控制,尤其是我国电力发电70%是火力发电的国情,使得电厂烟气脱硫装置建设迅速发展。侧进式搅拌器因其自身特点,在脱硫过程中的脱硫吸收塔,事故浆液罐中气-液-固三相物料混合等场合得到广泛应用。
  近年来迅速发展的计算流体力学技术(CFD)与理论、实验方法相辅相成,逐渐成为研究流体工程的重要手段。国内外学者对传统的立式搅拌设备的研究已较为成熟[1-4],对侧进式搅拌器作用下的搅拌槽的相关研究较少。Wesselingh[5]对不同尺寸的单个侧进式搅拌器下搅拌槽内的混合时间进行了实验研究,分析了桨型、推进桨偏角、雷诺数等多个因素对混合时间的影响。Kipke[6]研究了三个船舶用螺旋桨共同作用下搅拌槽内固体颗粒的悬浮情况,在实验研究的基础上分析搅拌桨不同伸入角度、不同桨径与槽径比对搅拌悬浮能力的影响,并讨论了放大准则。Dskhel [7] 等采用RNG k-ε湍流模型对混有两种不同密度原油的大型贮罐在单个侧进式推进桨运行下的流场和混合时间进行模拟计算,模拟结果与试验测量结果吻合较好,但R. Van Looy [8]使用CFD模拟出的混合时间值比实验值小。Saeed[9]等对单个侧进式搅拌器(莱宁A310)下的纸浆(非牛顿流体)搅拌槽流场进行了数值模拟,并使用超声波多普勒测速仪(UDV)对模拟验证,得出混合时间与叶轮动量通量的关系。国内都荣礼等[10]对侧伸式搅拌槽气液两相的传质系数进行了实验研究,郑晓东等[11]研究了侧伸式搅拌槽内固-液及气-固-液多相的悬浮性能。方键等[12]对工业规模的侧进式搅拌器运行下槽内的单相流三维流场进行了数值模拟,但未涉及到混合状况。总的来说,国内外对侧进式搅拌器的研究尚未形成体系,现有的此类搅拌器设计大都依赖长期的运行经验的积累,精度较差,因而建立一套较为全面的数值模拟方法体系配合试验方法来分析侧进式搅拌器运行下槽内的功率特性、流场分布、混合状况等规律对搅拌器的优化设计、工程应用等具有重大的现实意义。
  本文使用CFD软件FLUENT 6.3对具有四台侧进式搅拌器作用下的小型搅拌槽内的流场及混合过程进行了三维数值模拟,分析了槽内不同位置处的流场分布,研究了不同的示踪剂加料点、监测点位置及搅拌轴偏转角对混合时间的影响规律,为侧进式搅拌器的工程应用提供一些参考依据。
   
  2 搅拌槽结构


  本文计算的模型是按照某火电厂湿法脱硫吸收塔下部的浆液池实际结构和尺寸经比例缩小简化而成,如图1所示。搅拌槽是平底,直径D=0.58m,液位高H=0.464m,高径比H/D=0.8。搅拌槽下部沿槽周向均匀分布4台侧进式搅拌器,搅拌器桨叶伸入搅拌浆池内,搅拌轴分别与水平线和槽中心线形成一定偏角,分别记为α和β。桨型选择江苏法尔机械制造有限公司设计制造的一种新型旋桨式侧进搅拌桨,结构如图2所示。搅拌桨由4只对称分布的叶片组成,叶片倾角为35°,叶端分别焊有导流弧板,用以增强桨叶的轴向排液能力;桨叶直径d=0.1m;叶梢宽度约为桨直径的9%。桨径与槽径比d/D=1:5.8,搅拌轴直径e=0.015m, 伸入长度l=0.085m。搅拌器侧向安装高度h=0.12m。


  3 模拟策略


  3.1 流体力学模型
  本文采用商业CFD软件FLUENT 6.3对搅拌槽中的流场与混合时间进行模拟计算。方程的求解基于有限体积法,即将计算域离散化为单元格的有限集,在每个网格单元内求解各传递变量的守恒方程。守恒方程组的通用形式如下。式中,φ表示速度、压力、湍流动能、湍流耗散、质量组分等变量,Sφ为单位体积源项,Γφ为湍流扩散系数。在计算示踪剂浓度场时, ,Dφ为示踪剂分子扩散系数,μT为湍流动力粘度,σφ为湍流Prandtl数。标准k-ε湍流模型虽然在预测湍流动能方面存在不足,但在模拟流场及混合时间上与试验数据相比具有较好的一致性[13]。经计算各搅拌转速下的流场均处于完全湍流状态(Re>104),因此本文选用标准k-ε湍流模型。


  3.2 网格划分
  根据搅拌槽结构的几何对称性,选取槽体的1/4作为计算域,如图3(a)所示,坐标系原点为槽底部中心,z轴沿槽体轴向。由于搅拌桨叶结构较为复杂,且搅拌器安装偏角α与β导致的结构不对称性,计算中采用适应性较强的四面体非结构化网格对几何体进行划分。对槽体静止部分、桨叶旋转部分分别划分网格。使用Size Function功能对桨叶、搅拌轴及交界面处网格进行加密处理以增加计算精度。划分网格单元总数分别约为39万、60万、81万,并对各自的计算结果作对比,发现后两者的结果相差很小,因而最终选用了60万网格,并认定其已达到了网格无关性标准。计算域网格节点分布如图3(b)所示。


  3.3 模拟方法
  本文使用多重参考系法(Multi-Reference Frame,简称MRF)处理运动的桨叶和静止的槽壁之间的相互作用,桨叶及其附近流体区采用旋转坐标系,其它区域采用静止坐标系。两个不同区域内的动量、能量交换通过交界面上转换来实现。旋转部分搅拌轴及桨叶设为无滑移(静止)壁面,静止部分搅拌轴设为无滑移(移动)壁面边界条件;槽顶液面定义为自由滑移边界条件;槽体被分割出的一对1/4截面使用无压降的旋转周期性边界;固体壁面槽底、槽壁均设为壁面边界。
      标准压力-速度耦合采用SEMPLE算法,压力离散采用PRESTO方法;由于使用的是非结构化网格,差分格式采用二阶迎风以提高精度;当计算残差均小于1×10-4,且监视变量(速度,搅拌轴扭矩)趋于恒定值时认定为计算收敛。首先在稳态条件下求解动量方程,然后用所得结果作为初始值在非稳态条件下求解质量守恒方程,进行混合计算,进而得到不同时刻的浓度场,求出混合时间。
     
  4 数值模拟结果与分析


  4.1 宏观速度场
  本文根据工程实践中的运行经验选取搅拌轴安装倾角α=10°, β=7°。槽内工作介质为水。搅拌转速首先取N=400 rpm。由计算结果得出,最大流速出现在搅拌桨叶端附近,为utip=2.2 m/s;槽内高速流动区域主要集中在桨叶区附近及槽中心流域,桨叶区以外流体流速迅速衰减;整个槽体流域内流速值小于0.1utip的区域体积约占总流域体积的80%。图4、图5分别为模拟计算出的不同平面的宏观速度场。图4所取平面为x-z截面,即图3(a)中的A面。如图所示,叶轮为典型的轴流式搅拌桨,流动形式与文献[9]中A310桨叶的相似,叶轮产生的高速射流自桨叶呈发散状流出,在x-z截面上共形成三个循环流:流体自桨叶喷散出撞击到槽底后一部分流向槽中心,与另外三个搅拌桨产生的液流在槽中心处相互撞击后形成强烈的轴向(相对槽体)液流,向上一直到达液面处后转为径向流向四周槽壁,然后沿槽壁向下流回桨叶区,在整个槽体内形成了较大的上下循环流C1,循环中心高度约为2/3H;叶轮中心部分流体由于抽吸作用流回叶轮,在叶轮的前方底部形成循环C2;另外由于叶轮背部的抽吸作用,叶轮下方形成有一个小的循环C3。
  图5为z=0.12m及z=0.4m处的水平截面的流动场,所取截面的位置分别为图3(a)中的B、C面。如图5(a),桨叶产生的射流在z=0.12m高度水平面上形成了不太规律的紊流;槽中心处主要是沿槽轴向向上的流动;中心稍外侧在四个叶轮的共同作用下形成有一个逆时针方向的漩涡;每个桨叶中心偏角的另一侧,在桨叶后端吸附力的作用下形成有顺时针方向的小漩涡。这种紊乱的流动形式可以使搅拌混合更加均匀。槽体上部的流型则相对简单,如图5(b)所示,流场呈喷泉状,槽中心处流体由槽底向上流向液面,而槽四周流体则由液面向下流至槽底;流体流速自槽中心向四周槽壁递减,整体速度低于0.1utip。
   
  4.2 混合过程
  混合时间θ是表征搅拌槽内流体混合状况的重要参数,是搅拌器设计及放大的重要依据之一。混合时间的定义采用国际上通用的95%规则,即从计算开始到示踪剂浓度达到最终稳定浓度值的±5%以内并不再超出时所用的时间θ95[14]。计算得到稳态流场后使用Patch功能将加料点附近一定体积单元的示踪剂初始浓度设定为1,其他区域内定义为0,选取一定的时间步长,通过迭代计算可得到不同时刻的浓度值。一般时间步长取值应小于转速的倒数的1/10,在计算开始时选取较小的时间步长,计算后期可选取较大步长以节省时间。[15]本文采用时间步长范围为0.005~0.02s。为研究不同的加料及监测点位置对混合时间的影响,本工作共选择了3个加料点,分别是位于槽中心线上的FA、FB点及桨叶区附近的FC点。加料点及五个监测点P1-P5具体分布如图3(a)所示,各点的坐标见表1。
  表1 加料点及监测点的坐标

  Axis /m

FA

FB

FC

P1

P2

P3

P4

P5

X

0

0

0.14

0.03

0.16

0.15

0.05

0.25

Y

0

0

0

0

0

0

0

0.1

Z

0.12

0.4

0.15

0.03

0.12

0.23

0.45

0.45

  图6直观的描述了在转速为400rpm下FA点加料时不同时刻的示踪剂浓度分布。对比图4和图6可以发现,槽内的混合过程与流动场密切相关。示踪剂在槽中心处注入后首先跟随轴向流分散到液面,然后沿槽壁向下流入桨叶区,之后混合加快,随着桨叶区的射流流向槽内各处,最终达到均匀混合。图6(d)中截面中部位置有一个低浓度区,此处对应的是上下大循环流C1的中心,因而混合相对较慢;液面附近浓度稍高,这是因为液面处流速较小,混合也相对较慢。
  4.2.1 示踪剂监测点及加料点位置对混合时间的影响
  图7所示为FA点加料时不同监测点位置的浓度随时间的变化曲线,图中纵坐标是示踪剂无因次浓度,即示踪剂实时浓度与最终搅拌均匀时的示踪剂浓度的比值。从图可以看出,不同监测点得到的浓度曲线有所区别,但混合时间θ95相差较小;槽底部P1点θ95最短,液面附近的P5点θ95最长,这是由于搅拌槽下部流体包含有桨叶区,桨叶区的能量耗散率远高于液面处,因此其质量传递速率比在液面处要高的多。槽下部流体相对于槽上部属于高流速区,质量传递速率相对较高,因而混合更快更均匀,监测得到的混合时间相应就较短。液面附近的P4、P5点在前期都有一个较大的峰值,这与图6所显示的示踪剂的扩散过程相符。整个流域的最终混合时间取五个点监测结果的最大值,即P5处的36.9s。
  不同的示踪剂加料点位置对混合时间的影响如图8所示。前文总结出在液面处P5点监测时的混合时间最大,因而图中仅显示出不同加料点时P5点的浓度响应曲线。从图中可以看出,在槽体中心下部FA点、上部FB点及桨叶尖端附近FC点分别加料时,底部FA点计算得到的混合时间最长,FB点次之,FC点最短。桨叶端加料得到的混合时间比中心底部加料减小了约35%。这主要是由槽内的流体流动形式导致的。流体在槽中心处主要是轴向向上的流动,在此处加料后示踪剂首先要流向液面,分散向槽壁四周然后流入桨叶区,才能进入加速混合阶段,而桨叶区加料可以避免这一阶段,因此混合时间相应较短。
   
  4.3 搅拌轴偏转角的影响
  图9所示为FB点加料,搅拌轴垂直偏转角α=10°,水平偏转角β在3°~10°范围内混合时间的变化。由图可以看出,不同水平偏转角对混合时间的影响较大,相差最大为40%。θ95随着β的增大先减小后增大,在β=5°时出现最小值,因此可以得出在搅拌轴垂直偏转角一定时,搅拌槽混合情况最佳的水平偏转角βopt=5°。
  图10所示为搅拌轴水平偏转角β=5°,垂直偏转角α在6°~12°范围内混合时间的变化。图中显示相对于水平偏转角β,垂直偏转角α对混合时间的影响较小,这与文献[6]中的描述相符。θ95随α在6°~12°范围内的变化不大,在α=10°时出现最小值,相差最大为7.3%。由此可以得出在均质混合时侧向搅拌器最佳搅拌轴偏转角为αopt=10°,βopt=5°。
   
  5 结 论


  本文利用CFD软件FLUENT6.3对侧进式搅拌器的流场特性及混合过程进行了数值模拟,根据研究结果可得到以下结论:
  (1) 此类侧进旋桨式搅拌器作用下槽内高速流动区仅集中在桨叶区附近及槽体中心流域;其余大部分流域速度较低,整个槽体流域内流速值小于0.1utip的区域体积约占总流域体积的80%。
   (2) 槽内流体主要形成三个循环流:整个流域内的上下循环流、桨叶安装高度水平面附近的环向流及各搅拌桨中心处的回吸流。搅拌槽内物料的混合过程主要由槽内的流体流形控制。
  (3) 混合时间的大小与加料点及监测点的位置有关。在桨叶附近区域加料比在槽体中心处加料时所得的混合时间短。在槽底部及桨叶区监测得到的混合时间相近,都比在液面处监测的时间短。
  (4) 在均质混合时侧向搅拌器搅拌轴的水平偏转角对混合时间的影响远大于垂直倾角,最佳垂直及水平偏转角分别为αopt=10°,βopt=5°。
   
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  *基金项目:江苏省科技计划项目(苏科计2007-242),江苏省普通高校研究生科研创新计划(CX09B_130Z)。
  作者简介:方键(1985-),男,山东滕州人。南京工业大学博士研究生,研究方向:高效传热传质设备技术。 通讯联系人:凌祥,教授,E-mail:xling@njut.edu.cn。通讯地址:江苏省南京市新模范马路5号南京工业大学机械与动力工程学院热管楼222室(210009)。电话:025-83587309。

 
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