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VirtualFlow 涡轮搅拌釜搅拌工艺数值模拟

搅拌设备凭借其操作方便、运行稳定及能够有效提高流体介质得传质传热效率等优势,广泛应用于化工、石油、制药、食品、生物及冶金等工业生产过程中。搅拌设备的操作性能直接影响着工业生产的成本、效率及产物的质量,搅拌过程的流体力学研究及搅拌设备的设计优化一直以来都是研究重点。

目前主要通过实验方法及CFD方法进行流体搅拌混合研究。本案例采用VirtualFlow软件对直叶圆盘涡轮搅拌器中液-液两相的流动混合工艺进行数值模拟分析,并与实验结果进行对比。

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直叶圆盘涡轮搅拌器

几何模型

搅拌器选用标准的六直叶涡轮式搅拌器,几何模型带有四个矩形直叶挡板,结构如图1所示,各部件尺寸见表1。

表1 搅拌器几何结构尺寸:

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创建好的几何模型如下图所示:

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搅拌器几何模型

网格划分及边界条件设置

将创建好的搅拌器几何模型,导入VirtualFlow软件进行网格划分与边界条件设置。为了较快获得仿真结果,本算例将空间网格划分为64块,采用64核进行并行计算,划分好后网格总量为87万,空间网格分布图如下图所示(隐藏了搅拌釜外壳几何)。

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网格划分

为提高搅拌器附近的求解精度,采用渐变网格,即靠近叶轮附近网格较密,远离叶轮位置网格渐疏,如下图所示:

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网格划分示意图网格俯视图和侧视图

液-液两相为NaI溶液及硅油混合物,密度分别1.34g/cm3和0.94g/cm3,黏度分别为1.4 mPa∙s和 11.0 mPa∙s。其中,NaI溶液为连续相,硅油为分散相且体积分数为7%。

采用k-ε湍流模型及标准壁面函数,非稳态求解器进行计算。

计算结果分析

对离散相体积分数为7%时的计算结果进行后处理,重点分析搅拌过程中的速度、相含率等参数的变化过程,并将稳定后的速度场与PIV试验结果进行对比,验证软件计算结果的准确性。

搅拌过程中的速度场分析:

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搅拌过程中速度变化云图

搅拌初期,搅拌桨上下两侧形成对称的旋涡;随着速度场的发展,旋涡中心不断远离搅拌桨而靠近壁面,旋涡影响范围逐渐扩大;影响到壁面后,受壁面条件约束,旋涡中心开始远离壁面,最终形成稳定的搅拌涡。

提取穿过搅拌桨轴的垂直平面,以及穿过桨叶中心的水平面,将模拟得到的该平面稳定后的流场分布与Svensson和 Rasmuson[1]利用PIV设备所测得的流场结果进行对比:

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混合过程速度矢量图与实验结果对比(垂直平面)

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可以看出,VirtualFlow软件计算结果与实验结果吻合,可以对搅拌器内的速度场分布情况进行合理的预测。

进一步对据搅拌釜釜底不同轴向高度上的水平面上的径向速度进行定量分析,得到不同轴向高度沿径向的分布速度如下所示:

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不同轴向高度水平面位置关系

其中line1、line2、line3分别对应下图中a、b、c平面的径向速度。

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不同轴向高度沿径向的分布速度

line2 为平面b的径向速度分布,在该平面上,桨叶旋转产生的速度不断向外传递,因此远离桨叶速度不断减小;line1、line3分别为圆盘高度下方及圆盘高度上方处流体速度的径向分布,与line2不同的是由于涡流的存在导致最外侧速度略大于内侧。

搅拌过程中的相含率分析

搅拌过程中离散相(硅油)分布结果如下:

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离散项(硅油)分布动图

对经过搅拌桨轴的垂直平面上的离散相体积分数在搅拌过程中的发展情况进行监控分析:

  • 搅拌初始时刻,指定连续相体积分数为0.93,离散相体积分数为0.07;

  • 搅拌初期,由于搅拌桨对整个流场的作用范围较小,除了桨叶附近,大部分流场速度较小,因此会出现液-液两相混合不均的情况,具体表现为搅拌器上部靠近壁面处,离散相(硅油)体积分数较高,而在搅拌器底部硅油的体积分数较低;

  • 随着搅拌时间的增加,流场发展逐渐充分,搅拌器带动底部流体向上,顶部流体向下,最终达到一个较为稳定的混合状态;

  • 搅拌稳定后的流场,液-液两相混合效果较好,只在搅拌桨轴附近,硅油含率偏高。

采用VirtualFlow软件对直叶片涡轮搅拌釜内液-液混合流动进行数值模拟,通过流场和组分场分布可以看到:直叶片涡轮搅拌器可以很好得改善两种组分的分布,使其混合的更加均匀。从流场结构来看,圆盘上下部分的流速及流场分布不同,可以通过计算桨叶据搅拌釜釜底部不同位置高度时的混合情况,以获得最佳设计方案。

【参考文献】

[1] Fredrik J. E. Svensson Æ Anders Rasmuson. PIV measurements in a liquid–liquid system at volume__percentages up to 10% dispersed phase. Exp Fluids (2006) 41:917–931