２一 ■论文广场 一 ２０石油和化工设备 １４年第１ ７卷 基于Ｆｌｕｅｎｔ的圆盘涡轮搅拌器搅拌釜内流场 测试及数值模拟 石亚超 ，李伟敏 ，倪安国 ，杨子江 （１．江苏省安全生产科学研究院，江苏南京２１００４２） （２．中粮米业（盐城）有限公司，江苏盐城２２４４０） ［摘要］基于搅拌实验与数值模拟相结合的方法，分析了圆盘涡轮搅拌器搅拌流场的特征和和变化规律，分别计算了两种 方法不同搅拌工况下搅拌扭矩及搅拌功率的大小，确定了两种方法的误差范围 结果表明：利用数值模拟方法得到的搅拌 扭矩值与实验值有着很好的跟随性，两种方法的误差在允许范围内。通过数值模拟可清晰地表达搅拌釜内的流场分布和变 化情况，其结果可为进行其它类型搅拌器的研究奠定基础。 ［关键词］涡轮搅拌器；搅拌釜；数值模拟；流场分析 搅拌操作是工业生产中常见的一种重要单元 操作，是工业反应过程的重要环节。搅拌设备［１ 广 泛应用于石油化工、冶金、食品、医药、废水处 理等行业中。搅拌过程本质上是在一个流动场体 系内进行的一个传质、传能（热）或化学反应的 复杂过程。搅拌器是以叶片旋转输送流体的一种 机械，是搅拌设备的核心组件，其作用是提供反 应过程所需要的能量和适宜的流动状态。搅拌器 的结构形式直接决定着搅拌流场的形式和搅拌效 果的好坏。搅拌器的改进和开发往往从搅拌槽的 流场入手。 实验采用的涡轮搅拌器的结构尺寸如表１所 示。涡轮搅拌器三维视图如图１所示，搅拌釜的结 构简图如图２所示。 １圆盘涡轮搅拌器 圆盘涡轮式搅拌器是目前工业上应用较广的 种搅拌器型式，它能有效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理黏度范围很广的流体。涡轮式 搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很 细，适用于低黏度到中等黏度流体的混合、气液 一分散和固液悬浮等。 本文结合特定搅拌实验台的实验数据及相关 文献 ｌ，运用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ６．０，对闭 式涡轮搅拌器的搅拌釜内腔流场分布情况进行了 数值模拟，分析了搅拌功率、速度分布以及浓度 分布的变化情况，分析其搅拌效率，从而为实际 生产中搅拌器和搅拌设备的结构优化和设计提供 参数及有效的分析方法或模型。 图ｌ 圆盘涡轮搅拌器实体模型 作者简介：石亚超（１９８２一），男，河南汝州人，工学硕士，工程 师。在江苏省安全生产科学研究院任安全工程师。 第１ １期 石亚超等基于Ｆｌｕｅ 的圆盘涡轮搅拌器搅拌釜内流场测试及数值模拟 一ｊ 一 参考，并验证数值计算过程的有效性。 表２实验法测不同工况下搅拌轴的扭矩值 （Ｎ・ｍ） ＼ （ｒ。ｓ ） ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ｈ。 ＼ ｌ５０ Ｏ．１ Ｏ．２５ Ｏ．４５ ０．７５ １．１５ ３．２ ２００ ０．１ Ｏ．２５ ０．４５ Ｏ．７５ １．１５ ３．２ ２５０ Ｏ．１ ０．２５ Ｏ．４５ Ｏ．８５ １．１５ ３．３ ３００ ０．１ Ｏ．２５ Ｏ．４５ Ｏ．８５ １．１５ ３．２ 由于该实验用搅拌釜的容积较小，液面高度 的变化对搅拌扭矩的影响较小。选定液面高度为 ５００ｍｍ，标准工况下，测定温度Ｔ为１０℃（２８３Ｋ）， 在搅拌器的不同安装高度（ｈ。）、不同转速（Ｎ）下，通 过扭矩传感器测定搅拌轴扭矩（Ｍ）的大小。首先确 定搅拌器的安装高度ｈ。，然后利用电机变频器调节 搅拌器的搅拌转速Ｎ，测定搅拌轴的扭矩Ｍ，见表 ２所示，同时观察并记录流场的变化情况。 ３．４数值计算结果 在数值模拟过程中，搅拌器的受力只考虑压 力与粘性力，同时将二者的力矩之和作为搅拌轴 所受的扭矩，并未考虑其他影响因素，如轴封处 的摩擦损失、搅拌器在转动时的径向跳动量等。 因此，数值计算的结果相对于实验值会偏小。表３ 为数值模拟计算不同工况下搅拌轴的扭矩值。 表３数值模拟计算不同工况下搅拌轴的扭矩值 （Ｎ・ｍ） （ｒ‘ｓ。。） ｈ。（ ＼ １ ２ ３ ４ ５ １５Ｏ ０．０５０ Ｏ．１７ Ｏ．３７ ０．６５ １．１４ ２ＯＯ ０．０５０ Ｏ．２０ ０．４０ Ｏ．６７ １．１５ ２５Ｏ ０．０５０ ０．２２ Ｏ．４３ Ｏ．７３ １．１５ ３００ ０．０５０ ０．２４ Ｏ．４４ Ｏ．７８ １．１５ ３．５实验结果与数值模拟结果比较 搅拌轴扭矩实验值与模拟值的结果比较如图 ７所示，经比较可以看出，在同一工况下，利用 ＦＬＵＥＮＴ软件对于搅拌轴扭矩的模拟与实验值有 着很好的跟随性，两种计算方法的误差较小，可 以控制在１５％以内。因此，数值计算结果可以作为 预测搅拌轴扭矩的一种方法，在对其他结构形式 搅拌器的研究中，尤其是新型搅拌器的研发过程 中，或是无法通过实验法测得结果时，数值模拟 方法将发挥重要作用。由公式２可知，搅拌功率与 搅拌轴所受扭矩值呈线性关系，因此由扭矩值可 进而计算得出搅拌功率值Ｐ。由此，可用数值模拟 方法预测目标搅拌流场内搅拌功率的变化情况。 图７搅拌轴扭矩实验值与模拟值比较 ４结论 （１）采用ＦＬＵＥＮＴ￣够直观显示搅拌设备内流 场的流动情况，ＭＲＦ模型能够准确地模拟出搅拌 设备。运用计算流体力学软件对搅拌釜内流场进 行数值计算，可以减少设计和实验的盲目性，对 实际流场的预测具有一定的借鉴意义。 （２）针对特定的圆盘涡轮搅拌器，分别采用实验 法和数值模拟法，在不同工况下，获得了搅拌轴所 需要的扭矩值，进而可得出搅拌功率的大小，进一 步可描述不同工况下搅拌功率的变化情况。 （３）在同一工况下，数值模拟结果对实验结果 有着很好的跟随性，误差在允许范围之内，证明 了数值模拟计算方法的有效性，为进行其它类型 搅拌器的研究奠定了基础。 ◆参考文献 ［１１王凯，虞军．］搅拌设备［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３． 【２］郑瑜，刘雪东，刘文明．闭式涡轮搅拌器搅拌釜内流场的 数值模拟［Ｊ］．化工机械，２００９，３７（２）：１９７—２００． ［３］张勇震，韩振为．计算流体力学在搅拌混合过程模拟中的 应用【Ｊ］．科技通报，２００５，２１（３）：３３２—３３６． ［４】王乐勤，杜红霞，吴大转等．多层桨式搅拌罐内混合过程 的数值模拟［Ｊ］．工程热物理学报，２００７，２８（３）：４１８—４２０． ［５】Ｌｊｕｎｇｑｖｉｓｔ Ｍ，Ｒａｓｍｕｓｏｎ Ａ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ Ｔｗｏ— Ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ａｎ Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｔｉｒｒｅｄ Ｖｅｓｓｅ１．Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２００１，７９（５）：５３３－５４６． ［６］Ｍｉｃａｌｅ Ｇ，Ｍｏｎｔａｎｔｅ Ｇ，Ｇｒｉｓａｆｉ ｅｔ ａ１．ＣＦＤ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｔｉｒｒｅｄ Ｖｅｓｓｅｌｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ．ＩＣｈｅｍＥ， ２０００，７８（Ａ）：４３５ ４４４． ［７】周国忠，王英琛，施力田．用ＣＦＤ研究搅拌槽内的混合过 程ｆＪ１．化工学报，２００３，５４（７）：８８６—８９０． ［８］韩路长，刘跃进，李毅斌等．应用ＳＳＴ ｋ－ｅ湍流模型计算 Ｒｕｓｈｔｏｎ￣拌釜流场【Ｊ】．化学工程，２００６，３４（３）：２８—３２．
