基于涡轮式搅拌过程的数值模拟及挡板混合性能研究

• 作 者: 秦斌
• 出 处: 青岛科技大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 搅拌器 数值模拟 液-液两相混合 湍流模型 挡板

搅拌设备是化工、制药等工业过程中最关键的操作单元之一,其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科学研究的重点。本文针对六直叶圆盘涡轮式搅拌器,借助Eulerian-Eulerian双流体模型、多重参考系、Standard k-ε模型与RNG k-ε模型两个湍流模型等一系列计算流体力学方法对单一液相体系的搅拌过程及不同分散相体积分数的液-液两相体系的混合过程进行数值模拟计算,通过对比基于两种湍流模型的模拟所预测的速度场结果与实验检测结果的吻合度、分散相分布情况及计算成本,讨论了Standard k-ε模型与RNG k-ε模型在特定搅拌工况下的优劣。在搅拌器标准挡板的基础上,设计了一种V形横向挡板,该挡板与搅拌桨高度平齐并附着于搅拌釜内壁,顶角的角度有30°、60°和90°三种。借助数值方法模拟了分散相体积分数为7%的液-液两相流在无V形横向挡板搅拌器与带有V形横向挡板搅拌器内的搅拌混合过程,通过考察流场的速度分布、湍动能、分散相分布、搅拌桨扭矩及搅拌功率等的数值模拟结果,分析讨论了V形横向挡板对搅拌器混合性能的影响。研究结果表明:虽然RNG k-ε模型是Standard k-ε模型的改进模型,且RNG k-ε模型模拟的计算成本更低,然而基于Standard k-ε模型的模拟所预测的速度场结果与实验结果的吻合度较好、预测的分散相分布更能反映真实的液-液两相混合情况。V形横向挡板可有效降低搅拌桨排出流体对搅拌釜釜壁冲击带来的能量损耗、提高流场的湍动能、降低搅拌桨扭矩、降低搅拌功率、改善混合效果。通过对数值模拟结果的综合分析,当V形横向挡板的顶角为60°时搅拌器的混合性能表现最优。