通气式中心龙卷流搅拌槽内气 - 液两相流的混合特性

翟 甜，郝惠娣，秦 佩，冯荣荣，马 腾

（西北大学化工学院，陕西 西安 710069）

气液两相搅拌槽在化工、冶金、食品等工业中有很广泛的应用。气-液分散搅拌操作的目的是把通入搅拌槽中的气体进行分散，增大单位体积液体中的两相接触面积，从而提高传质速率，加快反应进行[1]。随着计算流体力学（CFD） 的飞速发展， 数值分析方法已经成为化工装备行业研究的重要手段之一。国内外已经有许多学者对搅拌器的流体力学性能和传热性能进行了数值研究[2~4]。

本文利用ANSYS 软件中CFX流体分析及仿真的方法，对通气式中心龙卷流搅拌槽内气液两相流的混合特性进行数值模拟，定性的分析了开孔形式对混合流场的影响。研究结果对气液搅拌槽的优化的优化设计及工业放大应用有一定的实际意义。

1 模型建立

1.1 建立搅拌槽模型

图1 搅拌槽模型Fig.1 The model diagram of single impellers mixing tank

搅拌槽模型为底板带有对数螺旋线，底盘直径为300mm，高450mm，底盘和外壳的厚度均为5mm，桨叶类型为抛物线的搅拌槽。单通气管和双通气管的内径均为5mm，如图1所示。图2为抛物线桨叶的物理模型，图3是带有对数螺旋线搅拌槽底盘。

图2 抛物线桨叶Fig.2 parabolic impeller

图3 底盘Fig.3 the bottom of shell

1.2 网格划分

ANSYS的网格划分采用平台，采用的是“分解并克服（Divide and Conquer ）”的策略，主要有：自动划分网格法；四面体划分网格法；扫略法；多域法；Hex Dominant 法。从计算量、网格生成难易程度、收敛性三方面考虑，采用四面体网格划分方法网格划分，对网格数量进行优化，得到网格的无关解。对桨叶、导流板进行网格细划分，以便更好的捕捉其附近的流动特性。并且在所有壁面处应用Inflation[5~7]这一网格特性，以保证壁面处的速度梯度变化不至于太大。图4、图5分别为桨叶网格图和导流板网格图。

图4 桨叶的网格划分Fig.4 the mesh of impeller

图5 导流板的网格划分 Fig.5 the mesh of deflector

1.3 边界条件

根据搅拌器的结构特点和流体流动的性质，定义边界条件如下：因为气体从管中进入从Opening处流出，因此Opening形式设为Outlet。将固—液界面处定义为无滑移固壁边界，即粘性流体粘附在固体壁面上[8]。搅拌轴的转速为300r·min-1，气体速度设为5m·s-1。收敛条件：收敛残差＜ 10-4。

2 数值模拟

模拟过程采用控制容积发，利用 Rhie-Chow算法避免发生振荡。压力- 速度的耦合求解采用SIMPLEC 算法，对流项的离散采用混合 - 上风差分格式。收敛准则为RMS，将质量、动量和湍流方程的收敛残差定为1×10-4，设置一定的迭代步数，进行迭代计算，直至质量、动量和湍流方程收敛。采用多重参考系法（MRF）来解决运动桨叶和静止导流板之间的相互作用。MRF将求解域分为内部旋转域和外部静止域。内部旋转域包括运动的桨叶及其附近的流体，在旋转坐标系求解连续方程和动量方程，外部静止域包括静止的导流板和槽体及管壁伸进槽体的部分，在静止坐标系下求解连续方程和动量方程式。在两个域交界面通过插值来实现质量、动量和能量交换。

2.1 单通气管的数值模拟及分析

气体从单通管以5 m·s-1的速度进入，从气体的速度矢量图（图6）可以看出，气体进入后，从桨叶下面，沿壁面向上流动，到达顶面后，沿搅拌轴向下流动。

图6 单通气管气体的速度矢量图Fig.6 The velocity vector of air

液体在抛物线型桨叶搅拌槽内，给定转速为300 r·min-1，在高速旋转时，桨叶对其附近的流体产生挤压作用，在重力作用下，桨叶区流体的轴向流动较强而沿轴上、下流动。从图7可以看出，在桨叶的上下区域，液体形成2个漩涡。

图7 单通气管液体的速度矢量图Fig.7 The velocity vector of fluid

2.2 双通气管的数值模拟及分析

在2个弯管处，气体同样以5m·s-1的速度进入，从图8气体的速度矢量图可以看出，气体沿2个弯管，顺着壁面，从下往上流动。到达顶部的时候，沿着搅拌轴向下流动，形成2个漩涡。

图8 双通气管气体的速度矢量图Fig.8 The velocity vector of air

图9 双通气管液体的速度矢量图Fig.9 The velocity vector of fluid

同样给定抛物线型桨叶的速度为300r·min-1，从图9液体的速度矢量图可以看出，在桨叶的高速旋转下，液体在桨叶的上部形成很明显的2个漩涡；同样在导流板附近的区域内，液体向上流动，与桨叶附近的流体混合，在桨叶下部区域形成一定的涡流。

2.3 单通管与双通气管的比较

从模拟的结果和以上的分析可以看出，对于中心龙卷流型搅拌槽，流体流动主要以轴向流为主，整个流体域基本处于循环流的影响范围，在桨叶的上缘叶尖处流速最大，并且带有较强的轴向分量，全槽返混状态良好，速度基本均匀，能实现较好的搅拌效果，有利于物料的混合或悬浮。

在同样的气体转速和桨叶转动速度下，双通气管的搅拌槽模拟效果比单通气管的模拟效果好，气液混合效果好。而且在导流板的带动下，双通气管形成的涡流较单通气管的好，这样可以使气体与液体混合得更充分。

3 结语

采用RNG k -ε湍流模型，多重参考系法（MRF），对搅拌槽内单向流动进行了数值模拟，可得：

（1）中心龙卷流搅拌槽，在导流板的的引导作用下，在槽底表面形成向心流，进而，在槽中心部位形成螺旋上升的龙卷流，然后在回到叶轮区，如此形成全槽范围的单循环流。

（2）单通管的搅拌槽，在通入气体后沿槽壁向上流动，到达顶部回流到搅拌轴附近，形成涡流，液体在搅拌轴的附近形成漩涡。

（3）双通气管的搅拌槽，在通入气体后，沿槽壁向上流动，回流到桨叶附近区域。液体在搅拌轴附近产生径向流，形成2个很明显的漩涡。

（4）双通气管的搅拌槽比单通管的搅拌效果好，能使气体和液体充分的混合，对搅拌槽的优化设计及工业放大效应有一定的实际意义。

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