d和pu型槳葉攪拌機(jī)內(nèi)湍流場(chǎng)的cfd研究

攪拌是化工混合、傳遞和反應(yīng)的主要過(guò)程之一，其中約85%是槽式攪拌容器。徹底掌握攪拌中的工藝性能、溫度和組分濃度的分布，對(duì)優(yōu)化和控制攪拌中的性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。CFD(computationfluiddynamics)技術(shù)是對(duì)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、燃燒、化學(xué)反應(yīng)等工程現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬分析的總稱,CFD技術(shù)應(yīng)用在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程評(píng)估中是本世紀(jì)的重要發(fā)展方向。MontanteG等人對(duì)PTU槳葉攪拌器內(nèi)固體顆粒的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬,結(jié)果證明理論預(yù)測(cè)的顆粒軸向濃度分布和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。侯拴弟、馬青山等人采用k-ε湍流模型模擬了攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài),對(duì)流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行了宏觀分析研究,成功反映了攪拌槽內(nèi)流體流型,然而,理論預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)之間的定量比較與誤差分析還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。本文以典型的DT和PTU型槳葉攪拌器內(nèi)復(fù)雜的攪拌過(guò)程為研究對(duì)象,對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與LDA激光測(cè)試值進(jìn)行了量化的比較分析。1湍流模型及網(wǎng)格劃分?jǐn)嚢杵鞯闹饕鲃?dòng)特征是湍流,描述湍流的基本方程可用通用形式表達(dá)為:??t(ρφ)+??x(ρuφ)+1r??r(rρvφ)=??x(Γφ?φ?x)+1r??r(rΓφ?φ?x)+Sφ??t(ρφ)+??x(ρuφ)+1r??r(rρvφ)=??x(Γφ?φ?x)+1r??r(rΓφ?φ?x)+Sφ式中:φ分別代表u,v,w及湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε等變量,Sφ代表源項(xiàng),其具體表達(dá)式及湍流模型可見(jiàn)文獻(xiàn)。網(wǎng)格劃分采用滑移方法,即在槳葉內(nèi)部的網(wǎng)格采用隨槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的移動(dòng)網(wǎng)格(slide-grids),在槳葉外部的網(wǎng)格采用靜態(tài)網(wǎng)格,如圖1所示。數(shù)值方法為SIMPLE。2結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)模擬計(jì)算采用的攪拌器的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示,桶底類型為平底,桶體高度為250mm,直徑2R為250mm,槳葉類型分別為Pitched-bladeTurbine(PTU)和DiscTurbine(DT)兩種,周邊均布4個(gè)擋板(寬度為桶體直徑的1/10),結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。3結(jié)果與分析3.1理論預(yù)測(cè)與lda測(cè)試對(duì)比圖3是理論預(yù)測(cè)的1號(hào)攪拌器徑向剖面上的流場(chǎng)與LDA測(cè)試結(jié)果比較圖。從圖3(a)可以看出,流體一方面被高速旋轉(zhuǎn)的槳葉“甩出”,另一方面還受到槳葉的擠壓作用,因此在槳葉上緣的葉尖附近速度值最大,并且?guī)в休^強(qiáng)的軸向分量,該點(diǎn)理論模擬與實(shí)測(cè)的結(jié)果相一致。由于流體受到桶壁的制約與槳葉附近的負(fù)壓區(qū)的引導(dǎo),在桶內(nèi)的流體似乎分成上下兩股,形成了縱向截面上一大一小的兩個(gè)渦區(qū),渦心位置分別是(85,5)和(85,75),參見(jiàn)LDA的測(cè)試結(jié)果圖3(b),預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的渦心位置幾乎完全相同,如圖中虛線的交點(diǎn)所示。圖3(b)中,槳葉區(qū)的空白是因?yàn)長(zhǎng)DA測(cè)試受槳葉旋轉(zhuǎn)的干擾而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量造成的。圖4、圖5分別是理論預(yù)測(cè)的2、3號(hào)DT型槳葉的攪拌器在徑向剖面上的速度矢量場(chǎng)與LDA測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。從圖4、圖5中均可以看出,在DT槳葉的葉尖附近,排出的流體僅具有徑向速度,同時(shí),流體在槳葉的徑向剖面的上下各形成一個(gè)漩渦,比較理論預(yù)測(cè)與LDA測(cè)試結(jié)果可以看出:理論預(yù)測(cè)的渦心位置與實(shí)測(cè)位置吻合較好。上述結(jié)果表明:無(wú)論是傾斜式的PTU槳葉,還是直槳葉(DT型槳葉),CFD模擬預(yù)測(cè)的速度場(chǎng)的整體流動(dòng)與實(shí)測(cè)結(jié)果特征完全相一致,說(shuō)明CFD用于攪拌器的理論分析研究,不但可行,而且準(zhǔn)確性也較高。3.2理論預(yù)測(cè)值與測(cè)試結(jié)果的比較理論預(yù)測(cè)的整體速度場(chǎng)雖然能達(dá)到理想的結(jié)果,但是,相應(yīng)的速度值的大小在定量上的吻合程度如何?通過(guò)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的定量分析比較后發(fā)現(xiàn):理論預(yù)測(cè)的速度值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差比較大的區(qū)域是在槳葉的葉尖附近,因此,選擇離旋轉(zhuǎn)中心軸線2R/3處豎直線上的速度變化規(guī)律作為比較對(duì)象。圖6、圖7分別是理論預(yù)測(cè)的PTU和DT槳葉在離旋轉(zhuǎn)軸中心線2R/3處豎直線上的速度變化規(guī)律與實(shí)測(cè)值的比較圖。從圖6可以看出:對(duì)于PTU槳葉來(lái)說(shuō),理論預(yù)測(cè)值與測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)吻合較好,對(duì)應(yīng)峰值的空間坐標(biāo)基本一致,但是,理論預(yù)測(cè)值普遍比實(shí)測(cè)值偏高,尤其在槳葉以上的區(qū)段,兩者的相對(duì)誤差高達(dá)30%左右。圖7中,DT槳葉攪拌器中理論預(yù)測(cè)值與LDA測(cè)試結(jié)果和在定量上吻合較好,最大相對(duì)誤差在11%左右。綜合圖6、圖7可知:CFD預(yù)測(cè)的速度峰值、變化銳度普遍較測(cè)量值偏高。理論預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值可能是合理的現(xiàn)象,這因?yàn)?理論預(yù)測(cè)結(jié)果是槳葉在該位置上的瞬時(shí)速度值,而LDA測(cè)得的值是在測(cè)試的一段時(shí)間內(nèi)的平均速度值,即vˉ=1nΣi=1nvivˉ=1nΣi=1nvi,最大值和最小值均被平均掉了。而槳葉在通過(guò)該剖面的瞬間,槳葉附近的速度肯定大于槳葉經(jīng)過(guò)前后的一段時(shí)間內(nèi)的平均速度值。此外,由于在LDA測(cè)試過(guò)程中,測(cè)量點(diǎn)沿徑向移動(dòng)也容易出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)偏移,導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果偏低。對(duì)于PTU槳葉,結(jié)構(gòu)比DT復(fù)雜,測(cè)量誤差相對(duì)增大;另一方面,在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中是假定流體與槳葉之間不發(fā)生速度滑移的,但是,實(shí)際上,當(dāng)轉(zhuǎn)速較快時(shí),流體跟葉片之間就有可能發(fā)生速度滑移,由于PTU是傾斜槳葉,發(fā)生速度滑移的趨勢(shì)比DT強(qiáng),所有這些可能是造成PTU槳葉在x=2R/3處數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)試值相對(duì)誤差高達(dá)30%的原因。4運(yùn)行相對(duì)誤差的影響(1)對(duì)于PTU和DT槳葉,理論預(yù)測(cè)的速度場(chǎng)分布規(guī)律與LDA測(cè)試結(jié)果吻合較好,理論預(yù)測(cè)的漩渦的空間位置坐標(biāo)與實(shí)測(cè)值完全一致。(2)理論預(yù)測(cè)速度值與實(shí)測(cè)值在槳葉葉尖附近的相對(duì)誤差比較大,在離旋轉(zhuǎn)中心軸線2R/3處豎直線上,對(duì)于DT槳葉攪拌器,CFD預(yù)測(cè)的速度值和LDA測(cè)試值吻合比較好,最大相對(duì)誤差在11%左右。而對(duì)于PTU槳葉,在同樣的空間位置上,CFD預(yù)測(cè)值與測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)相吻合,速度峰值附近的誤差較