譚 歡，鄭維師，王正金

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018）

0 引言

在石油化工等領(lǐng)域，經(jīng)常需要槳式攪拌器進(jìn)行固液兩相攪拌，將固相顆粒分散到液體中，形成固液混合物，增強(qiáng)固液相間的傳質(zhì)傳熱[1]。槳式攪拌器作為一種混合機(jī)械，可用于黏性或有凝聚性的粉粒體的混合，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、食品、化學(xué)品、生物、養(yǎng)殖業(yè)等固-固、固-液的混合[2-4]。由于流體中存在密度較大的固相顆粒，攪拌過(guò)程中容易出現(xiàn)沉積，從而影響攪拌效果。因此防止槳式攪拌器的固相顆粒沉積，使其在液相中達(dá)到懸浮狀態(tài)，是槳式攪拌器的攪拌特性研究的重要內(nèi)容[5]。前人在雙層攪拌器流動(dòng)特性分析了做了許多研究，陳逸范等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法,在改變多種雙層平斜槳式攪拌器的直徑和轉(zhuǎn)速情況下，得出攪拌器的攪拌效果以D/T=0.5雙層平槳為最佳；陳凱等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法系統(tǒng)研究和比較了徑流槳和徑流槳組合、徑流槳和斜葉槳組合以及斜葉槳和斜葉槳組合3 類不同的雙層攪，在氣液分散攪拌過(guò)程中的優(yōu)劣。拌器組合；莫瑾等[8]使用Fluent對(duì)雙層攪拌器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析雙層攪拌器安裝間距在900 mm時(shí)攪拌器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)最好；鄧華軍等[9]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法,對(duì)攪拌器混合油漆混合液體的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了這種自制的攪拌器層間距的改變對(duì)混合時(shí)間的影響；張慧敏等[10]利用Fluent 軟件模擬了單、雙層開(kāi)啟渦輪式攪拌器在釜內(nèi)的流場(chǎng)，研究表明選用單層渦輪式攪拌器時(shí)流體流動(dòng)范圍較窄，選用雙層渦輪式攪拌器時(shí)流體流動(dòng)范圍較廣。

雖然對(duì)雙層攪拌器內(nèi)流動(dòng)特性有了許多研究，但對(duì)雙層攪拌器固液混合效果方面的研究較少，因此本文針對(duì)雙層攪拌槳的攪拌器，利用Fluent軟件對(duì)攪拌器內(nèi)的固液混合流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了該攪拌器內(nèi)的速度流場(chǎng)情況，以及在不同轉(zhuǎn)速下固體顆粒的懸浮狀態(tài)。

1 建立模型

1.1 幾何模型

研究對(duì)象為弧形底圓柱式攪拌器，用三維建模軟件Solid-Works 建立的模型如圖1 所示，建模中心為攪拌器頂部中心。對(duì)于完全離底懸浮，只需一層葉輪，而對(duì)于均勻懸浮，則必須使用多層葉輪，因此攪拌器由兩層葉輪組成，同軸布置。模型參數(shù)：攪拌器直徑D=900 mm，高度H=900 mm，攪拌軸直徑D1=65 mm，上層葉輪長(zhǎng)度L1=255 mm、寬度W1=40 mm，下層葉輪長(zhǎng)度L2=200 mm、寬度W2=40 mm。

圖1 幾何模型

1.2 網(wǎng)格模型

將模型導(dǎo)入到Mesh 模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，數(shù)值模擬涉及到旋轉(zhuǎn)計(jì)算因此將模型劃分為動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域，其中動(dòng)區(qū)域?qū)嚢铇ㄔ诶锩妫溆鄥^(qū)域?yàn)殪o區(qū)域，總體采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且對(duì)內(nèi)層動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，單元數(shù)為311 198，網(wǎng)格質(zhì)量為0.8，結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

Mixture 模型可用于模擬各相之間存在速度差異的多相流動(dòng)，該模型假定了在短空間尺度上局部的平衡[11]。由于固相顆粒與流體之間的相互作用力是未知的，且固相顆粒需要廣泛的分布于液相之中，對(duì)于這種情況可以Mixture 模型進(jìn)行模擬。并且Mixture 將固液兩相都視為連續(xù)相，對(duì)于不涉及化學(xué)反應(yīng)的固液混合模擬，也需要考慮質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。

連續(xù)性方程：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

2.2 邊界條件與求解方法

Fluent 處理攪拌問(wèn)題時(shí)，主要提供了3 種解決辦法：多重參考系模型（MRF）、滑移網(wǎng)格模型SMM）和動(dòng)網(wǎng)格模型[12]。本文模擬采用的MRF 模型，對(duì)不同的區(qū)域可以設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，而且每個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格中使用運(yùn)動(dòng)參考系方程求解流動(dòng)場(chǎng)。本文中葉輪和攪拌器邊界均設(shè)置為壁面邊界條件，葉輪半徑范圍內(nèi)的流體區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)參考系，設(shè)置該區(qū)域的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)方向定位Y軸正方向。采用壓力基穩(wěn)態(tài)求解，壓力-速度耦合方法選用SIMPLE 算法，空間離散化梯度設(shè)置為Green-Gauss Node Nased，采用一階迎風(fēng)差分格式。設(shè)置底部300 mm 深度區(qū)域的固體顆粒作為初始化條件，固相初始分布如圖3 所示。

圖3 初始狀態(tài)固液相分布

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文中雙層攪拌槳的目的是讓固體顆粒均勻的懸浮在液態(tài)溶液中，雙層攪拌槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將自身的速度和動(dòng)能不斷地傳遞到流體域中來(lái)實(shí)現(xiàn)固體顆粒的均勻懸浮，因此需要分析轉(zhuǎn)速對(duì)固液均勻懸浮的影響，以及分析轉(zhuǎn)速一定時(shí)不同位置的速度場(chǎng)和顆粒的體積分布情況，進(jìn)而為相關(guān)攪拌器的設(shè)計(jì)研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。

3.1 攪拌器軸向速度場(chǎng)分析

在轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)攪拌器軸截面的速度云圖如圖4 所示。從圖中可以看出，攪拌器的總體流場(chǎng)特征呈現(xiàn)為對(duì)稱分布，在攪拌槳端部處有明顯的徑向流動(dòng)且速度較高，故攪拌流場(chǎng)可以認(rèn)為是一種典型的徑向流分布。在攪拌器的頂部和底部位置，流體的流動(dòng)基本沒(méi)有影響，要想固液混合均勻，因此要增大轉(zhuǎn)速以此改變流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。

圖4 軸向截面速度云圖

3.2 攪拌槳處截面速度分析

本文中攪拌器為雙層攪拌槳，其所在截面的速度分布云圖如圖5 所示。從圖中可以看出，上層攪拌器周圍的流動(dòng)速度比下層攪拌器周圍的流動(dòng)速度較大，并且在高速旋轉(zhuǎn)下都存在打旋的現(xiàn)象。

圖5 攪拌器截面速度云圖

3.3 轉(zhuǎn)速對(duì)固相顆粒分布的影響

分別在轉(zhuǎn)速為50、100、150、200、250、300、350 r/min下分析攪拌器內(nèi)固液兩項(xiàng)分布情況，結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候固相幾乎都沉積在底部沒(méi)有發(fā)生流動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到150 r/min 時(shí)靠近攪拌器避免的固體顆粒向著中心發(fā)生流動(dòng)，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)流動(dòng)現(xiàn)象更加明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)350 r/min 時(shí)可以看出底部沒(méi)有明顯的顆粒沉積了。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下固相分布云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)Fluent 對(duì)雙層攪拌槳的攪拌器進(jìn)行了流場(chǎng)分析，結(jié)果表明攪拌器為徑向流攪拌器，并且在高速選裝下，攪拌器流體存在明顯的打旋現(xiàn)象。

（2）分析了轉(zhuǎn)速在50～350 r/min 之間，攪拌器內(nèi)固相顆粒的分布狀態(tài)，結(jié)果表明轉(zhuǎn)速較低時(shí)攪拌器內(nèi)的固體幾乎都沉積在底部，隨著轉(zhuǎn)速的增加固體顆粒才開(kāi)始向攪拌器上部流動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min 時(shí)，攪拌器底部已無(wú)明顯的顆粒沉積。