1、包装与食品机械2009年第27卷第5期 不同挡板结构的浆料搅拌罐流场仿真与分析 姜小放，曹西京，司震鹏，白银科 (陕西科技大学，西安710021) 摘要：为了研究挡板对搅拌罐流场的影响，利用流体分析软件FLUENT6326对两个搅 拌罐进行了仿真分析，采用多重参考系模型(MRF)模拟叶轮区转动，湍流项选用双方程RANS k一模型模拟得到了流场内的重要参数。通过对分析结果进行比较，发现挡板的设置可减小 漩涡增强流场湍动性，在工程应甩中，根据介质的不同设计合理的挡板结构，不仅可以提高 搅拌混合效率还可以降低成本，减少能源消耗。 关键词：搅拌罐；FLUENT；数值模拟；结构设计 中图分类号：TS20
2、3；TP3919 文献标识码：A 文章编号：10051295(2009)05 0080-04 Comparative Study of Flow in a Mixing Tank with Different Baffles JIANG Xiaofang，CAO Xi-jing，SI Zhengpeng，BAI Yinke (Shaanxi University of Science and Technology，Xi an 710021，China) Abstract：tn order to study the influence of baffles on the mixing flow
3、field of tanks，the flow in two tanks with dif- ferent baffles was simulated by FLUENT6326 code，multiple reference frame(MRF)technique was used for calculations, RNG models was been chosen as the turbulence mode1The parameters of simulations were compamit shows baffles settings can reduce the vortex,
4、and the turbulent flow field was enhanceddifferent baffles can make different flow field In order to reduce costs and energy consumption,suitable baffle structure will play an important role in the tank design Key word：stirring tank；FLUENT；simulation；structure desgin 日lj 百 搅拌设备在建筑、化工、食品、冶金、环 保及轻工业等各
5、行业应用广泛是保证生产的 重要设备之一。在搅拌叶轮置于搅拌罐中心的 搅拌罐中，若不加装挡板等附加措施，当液流 的粘度不大时，往往都会产生打漩现象。如果 叶轮转速过快，轴心处形成的漩涡就可能会吸 人大量的空气，由此引起搅拌轴的脉动，使得 搅拌效果降低，严重时会引起搅拌轴的变形和 失效。 设计制造出高效节能的混合搅拌设备是保 证生产质量和节约成本的重要因素。随着计算 机技术的发展。CFD技术在搅拌设备的设计中 得到了广泛应用。部分学者结合试验数据用不 同的计算模型对搅拌过程进行模拟，找到了能 较好模拟搅拌流场的数学模型DGeorgiev，S vlaev E卜2和周国 s 等在他们的研究中应用RAN
6、S ke模型，Guozhong ZHOU等 对标准ke模型 和RANS ke模型的模拟结果与试验数据进行了 对比，结果都表明RANS ke模型能较好的模拟 预测搅拌流场。目前大量的科研工作都集中在 研究叶轮叶形对流场及能量消耗的影响上 ： 收稿日期：20o90629 作者简介：姜小放(1978)，男，陕西礼泉人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：机械CAD与仿真技术。 通讯作者：曹西京(1953)，男，陕西户县人，教授，研究方向：机械CADCAM及现代物流技术。 80 不同挡板结构的浆料搅拌罐流场仿真与分析一姜小放，曹西京，司震鹏，白银科 搅拌罐(a) 搅拌罐(b) 图1罐体平面图 2 CFD
7、的基本理论与方法 21 多参考系模型(MRF)的基本理论 自前在模拟旋转机械流场中应用最广的方 法有多参考系模型(MRF)和动网格模型(SM)， 多参考系模型相比之下简单易用。MRF模型是 旋转单元体的稳态近似。它求解出来的流场是 一个充分发展的流场，这个流场再以一定的速 度运动就可以得到实际的流场，当叶轮和罐体 体之间相互作用相对较弱时可以使用MRF模型 求解。 22连续性方程1O-ll 质量守恒方程 ：0 (1) axj 动量守恒方程一 )一去(p )+ +pgi=O (2) 在(2)式中 ( + )一 (pk+l,孤au)8 为雷诺应力项，其中， 为湍动粘 度， 是时均速度，8 是“Kr
8、onecker deha”符 号(当 时，8 =l；当 时， =0)，k为湍 动粘度。 能量输运方程可以描述如下： 等 。 詈 丢 )去 p J堡axj= t 一 p +去 )詈 (4) 式中， 1=144；C皿=192； =009；ork 10； =13标准的Jj一 模型采用的这些常数数 值是对通过很宽范围湍流的数据通过大量的数 据拟合获得的。 23建模及网格划分 利用三维制图软件Pr0E和FLUENT前处 理软件Gambit联合建模在Gambit中将静止区 域和转动区域分体划分网格采用结构和非结 构网格相结合的方式划分，为了准确捕捉叶轮 区的流场特性，桨叶区域网格加密划分，搅拌 罐(a)共
9、划分577942个节点，搅拌罐(b)共划分 565018个节点 搅拌罐(a) 搅拌罐(b) 图2网格划分结果 24边界条件 根据实验目的和计算机资源，为简化计算， 假设搅拌槽内流动为稳态流动，自由液面在搅 拌过程中始终水平，各个边界条件设为： (1)工作介质假设为水，搅拌叶轮速度为 81 包装与食品机械2009年第27卷第5期 1200rpm； (2)，自由液面处水平，则 =0， ：0(咖 _dz Us)： (3)罐壁、挡板、桨叶和搅拌轴等固体壁 面处均采用无滑移固壁条件处理，近壁面采用 标准壁面函数法进行计算。 (3)桨叶区域，由于该区域流动的复杂性 和周期性，采用多重参考系法处理： (4)
10、两流动区域的交界面取为内边界 (inierior)条件。 选用分离式稳态算法对控制方程进行离散， 采用SIMPLE格式进行压力速度耦合。压力 插值的方式采用Body ForceWeighted格式。其他 均采用二阶迎风格式。残差迭代到10r4时为收敛。 3结果分析 通过仿真分析截取不同的界面对内部特 性进行研究。在搅拌罐里，安装挡板目的是改 变流场中的流型，增强液体对流循环强度，同 时更充分地利用叶轮加入的能量增大湍动程 度，由此提高搅拌效果。如图3所示。 82 B 3e，,。0： 6 9 5e-。1 ： ：= ： ： 塑曼 (a) (b) 图3 y=O截面内速度矢量图 在有挡板的区域。叶轮尖
11、端附近和正对叶 轮的槽壁间，流线密度要比 无挡板罐来的大， 形成了强搅拌区域，其搅拌作用增大，而在挡 板覆盖的对流循环区域流线密度也较大，说 明对流循环作用得到了较大加强，通过观察对 比，可以看出不同挡板的搅拌效果。 为了更清楚的描述挡板结构对流场特性的 影响在搅拌罐中XZ平面处取4条直线，用来 观察流场中速度特性的变化。位置示意如图4 所示： Line14 3 I2 Il 0 I I 图4直线位置示薏图 4条直线在XZ平面内的方程如下： Line11：z=-O6；Linel2：z=1750；Linel3： z=3；Linel4：x=O6； 通过观察各直线上速度的变化情况，可以 发现在将挡板加
12、长后液流切向速度变化较大， 挡板的设置可以增加上部分液体的湍动能。避 免了上部分液体大漩涡的出现。直线13在挡板 的变化前后其速度的各分量都有较大变化。为 了得到不同的搅拌效果。我们可以根据搅拌浆 液的性质，设计不同的挡板结构。 桨叶转动时会对流体产生剪切作用，正是 流体的剪切力产生了搅拌效果，搅拌槽内的流 体剪切作用因位置和罐体结构而异。不同的工 艺过程往往需要不同程度的剪切作用。所以剪 切性能的分析对于搅拌槽的研究和反应器的选 择都有重要意义，根据模拟分析得到的数据 就可以根据搅拌操作的目的。有效地安装挡板， 并把挡板的形状大小、块数和安装形式与叶轮 形式很好地结合起来，避免了经验设计的缺
13、点， 便能消除打漩、介质悬浮等现象，从而得到搅 拌功率小而效果高的搅拌操作装置。 不同挡板结构的浆料搅拌罐流场仿真与分析一姜小放，曹西京，司震鹏，白银科 0 0 j 一 i 2SVLAEV，DGEORGIEV，INIKOV，MELQOTBI ， ： 0 ：_ The CFD Approach for Shear Analysis of Mixing Reac一 r ” 刊 一 tor：Verification and Examples of UseJJournal of 图5 Line11处速度分布对比图 Engineering Science and Technology，2007，(2)：
14、177 一 一 3周国忠，王英琛，等搅拌槽内三维流动场的RNG 一 f 一 2002，29(2)：1523 ll_ 4Gouzhong ZHOU，Litian SHI，Peiqing YUCFD Study 图6 Linel2处速度分布对比图 of Mi i“g Pro 。in R“ h 。“Turhine s i red T “k c (依次分别为轴向，径向和切向)Third Int m ti。n l C。nference。n CFD in th Minerals 一一， 一 厂 。，lia，1012 December 2003- ： 一 。 。 - 5LMununga，KHourigan，
15、MThompsonComparative Disk and a Four Bladed ImprllerC14th Australasian 图7 Linel3处速度分布对比图 F1uid Mechanics C0nference， Adelaide Universitv， (依次分别为轴向，径向和切向) Ade1aideAustralia1014 December 2001 j + 一一 6DCHAPPLE，SM：KRESTA，AWALL，AAFACAN r+ ，、 The Effect。f Impeller and Tank Ge。 etry。n Power ll，一 ： -0 Numbe
16、r for a Pitched Blade TurbineJTrans IChemE， 图8 Line14处速度分布对比图 7Jolle Aubin，Cathefine XuerebDesign of Multiple (依次分别为轴向径向和切向) Impeller Stirred Tanks for the Mixing of Highly Viscous 4结 1昔 61200629132920 利用流体分析软件模拟研究搅拌罐中的流 8RZadghaffari，JSMoghadd MAhmadlouydarab， 动，能够有效的降低设计成本保证生产效率 JRevstedtA Mixing
17、Study in a DoubleRushton 和质量，对得到的各种数据进行分析后认为 Stirred TankcFourth International Conference on 挡板有助于减少液体打旋、增加液体湍动的作 Advanced Computational Methods in Engineering，uni一 用，设计合适的挡板，可以从挡板高度、宽度 鸺i y。fIJi ge，B。lgi“m，2628 M Y 2o08 和 状 研 ，对 同的搅拌过程，选 择合适的挡板具有积极的作用。 f ioM_Hv kiliM E A al i 。 T 一 bulence in a Baf
18、fled Stirred Tanka Threeeompart一 参考文献： ment Mode1JChemica1 Engineering Science，64 1DGeorgiev，SVlaevFlow Field Characteristics of Mo一 2009351362 dified InclinedBlade Mixing ImpellersJJournal of 11王福军计算流体动力学分析CFD软件原理与应用 the University of Chemical Technology and Metallurgy， M清华大学出版社，2004112138 参考文献： 1韩占忠，王敬，兰小平FLUENT流体工程仿真计 算实例与应用M北京：北京理下大学出版社，2004 2唐伟强，渠灏，李同基固定床生物反应器气流 场的仿真模拟J中国酿造，2007，(12)：4345 3林建忠，等流体力学M北京：清华大学出版社， 20o5 4薛婉立，张成龙优化酱油制曲设备的探讨J江苏 调味副食品，2006，(5)：2 83
