摘要：對于開啟渦輪式攪拌器的攪拌流場，采用多重參考系法、標準 _κ－ε湍流模型和 ＳＩＭＰＬＥ算法，應用 Ｆｌｕｅｎｔ軟件對其
 
進行數值模擬，并用ＰＩＶ實驗進行驗證。結果表明：數值模擬與實驗結果基本一致，選用的 ＭＲＦ模型符合實際；對葉片數為４、槳葉傾角為４５°、槳徑為１００ｍｍ的常用開啟渦輪式攪拌器在轉速為１２０ｒ／ｍｉｎ時進行模擬，發現槳葉區產生徑向流，在擋板附近形成漩渦，在釜底存在攪拌死區；對攪拌器葉輪設計參數進行優化，發現當槳徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數為６時所產生的攪拌死區**少，攪拌效果**佳。
引言
 
攪拌器廣泛應用于農業、化工、食品、醫藥、發酵、排污等各種行業^［１］，攪拌器葉輪是攪拌過程的主要換能器件，不同結構參數的葉輪所造成的流場和混合效果差別很大，故對攪拌器進行流場分析和優化^{［２－３］}成為必要。近日，隨著_ＣＦＤ^{［４－６］}在攪拌釜中應用，可通過ＣＦＤ對攪拌器進行流場分析和結構優化，較傳統的半理論半經驗的方法有更大的優越性，對攪拌釜的開發和調控產生重大影響。雖然ＣＦＤ會縮短實驗周期，但是真實的流動情況需通過試驗來驗證^［７］。
 
本文以 ＣＦＤ 技術作為攪拌器流場分析和結構優化的理論分析基礎，并用ＰＩＶ 驗證模擬的正確性。采用ＦＬＵＥＮＴ對攪拌釜內流場進行了數值模擬，分析了開啟渦輪式攪拌器在不同結構下的流場，并對攪拌器進行優化，為攪拌器的開發和選型提供了依據。
 
１ 實驗裝置
 
１．１ 實驗模型
 
實驗所用攪拌釜為帶蝶形封頭的圓柱形釜體，直
 
徑Ｄ＝２９０ｍｍ^，液面高度 Ｈ＝Ｄ^，槳徑為ｄ＝１００ｍｍ^，
葉片寬度ｂ＝１０ｍｍ，槳葉離底高度Ｃ＝ｄ。為了減少

釜壁對光線的折射作用，將攪拌釜置于玻璃方槽中。釜體內有４塊擋板，擋板寬度Ｂ＝５ｍｍ，葉片數Ｚ＝４，流動介質為水。為避免激光照射到攪拌器表面行成散光，實驗前需將攪拌器和攪拌軸表面噴上均勻的黑漆。
 
１．２ 流場測試系統
 
流場的測量方法主要有皮托管法^［８］、熱膜風速儀法^{［９－１０］}、激光多普勒測速技術^{［１１－１２］}、激光超聲測量技術、電化學法、攝影法、粒子圖像測速。而ＰＩＶ 技術打破單點測速技術的限制，既具備單點測量技術的分辨率和精度，又具備平面流場顯示的瞬時圖像和整體結構，揭示出了流動場湍流流動的空間結構，故本實驗采用粒子成像測試技術^{［１３－１４］}。該測量儀由照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數字相機和分析軟件組成。
 
２ 數值模擬
 
２．１ 控制方程
 
攪拌釜的 ＣＦＤ 分析可以看作是在流體流動基本守恒定律下對流體的模擬，這三個基本的守恒定律是：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，而控制方程是這些守恒定律的數學描述。

２．２

網格劃分

利用

／

進行建模，導入到

ＩＣＥＭＣＦＤ

進行網

ＰｒｏＥ

格劃 分。 采 用 多 重 參 考 系［１５］ （

ＭｕｌｔｉｐｌｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅ

，

）方法解決攪拌區域的運動問題，將攪拌

ＦｒａｍｅＭＲＦ

釜分為槳區域和槳外區域，通過在交界面上的插值轉換來實現兩個不同區域的速度匹配。采用非結構網格劃分，總網格數為２１４８９４個，總節點數為３９５３３個。
 
２．３ 模擬方法
采用ＦＬＵＥＮＴ軟件進行數值模擬，用標準 _κ－ε湍
 
流模型模擬流體的流動。攪拌過程中液面與大氣接觸，邊界條件設為自由液面；所有釜體、攪拌軸、攪拌器定義為壁面邊界條件。壓力 ― 速度耦合采用 ＳＥＭ－ＰＬＥ算法，流動狀態為定常流動；由于使用的是非結構化網格，采用二階迎風差分格式以提高計算精度；計
算殘差設定為_１０^－３。
 
３ 攪拌流場分析
 
３．１ 流場數值模擬
 
為了觀察分析攪拌釜內攪拌軸附近流體的速度大小及分布情況，截取軸向的０°切面的速度云圖和速度矢量圖，如圖１所示。從圖１（ａ）可以看出，液流的高速區主要集中在槳葉附近以及其下方的帶狀區域；另外，在槳葉下方有一個低速的自下向上流動的三椎體區域，此區域容易產生攪拌死區。從圖１（ｂ）可以看出，流體有較大的軸向分量，流體在撞擊擋板之后繼續沿著擋板向下流動，從下邊緣進入槳葉，擋板附近形成漩渦。在封頭內的流體沿著釜壁向中心流動，在釜底形成攪拌死區。

比較

ＰＩＶ

實驗和

數值模擬結果可知，漩渦

各個截面的分析，獲得**佳攪拌效果的攪拌器結構。

Ｆｌｕｅｎｔ

位置基本一致，流型也基本一致。通過時均速度圖可

通常，軸向流、攪拌死區少、攪拌速度大、數量較多的漩

知實驗和模擬的時均速度分布和中值基本一致，且**

渦能達到更好的攪拌效果。初始數據：葉片數

大速度都在葉端位置，分別為

／ 和

／。

傾角

，槳徑

，轉速

０．０４６ｍｓ

０．０４５ｍｓ

４５°

１００ｍｍ

由于軸的柔性，在轉動中速度有一定波動，存在一定誤

４．１

葉片數對槳性能的影響

差。綜上所述，

實驗驗證了數值模擬結果的正確

圖

３

給出了在相同槳葉傾角

ＰＩＶ

性，選用的

ＭＲＦ

模型符合實際。

、轉速

／

＝１００ｍｍ

１２０ｒｍｉｎ

攪拌器的優化

種不同葉片數下能表達釜內整個宏觀流動場的模擬結

４

果，考慮到釜內有４個擋板，故每種葉片數下表達釜內

通過對不同葉片數、不同槳徑和不同槳葉傾角在

整個流場的截面都不同。

５
	根據流體力學理論，采用Ｆｌｕｅｎｔ對攪拌釜內部流
場進行了模擬，并用 ＰＩＶ 對模擬進行驗證。結果表
明，				實驗與數值模擬的結果基本一致，選用的
	ＰＩＶ
		模型符合實際；對葉片數為  、槳葉傾角為
ＭＲＦ
							４
槳徑為			１００ｍｍ			的常用開啟渦輪式攪拌器，在轉速為
	／				時 槳葉區產生徑向流 在擋板附近形成漩
					，		，
１２０ｒｍｉｎ
渦 在釜底存在攪拌死區 通過改變攪拌器葉輪的設計
	，					；
參數，對所得到的模擬結果進行分析和優化，發現當槳
徑為１７０ｍｍ、槳葉傾角為４５°、葉片數為６時所產生的
攪拌死區**少，攪拌效果**佳。