带有新型内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究

　　引　言

　　计算流体力学(computational fluid dynamics,简写CFD)在工业中的逐步应用推动着搅拌设备的进一步发展.然而从文献报道来看,目前搅拌设备的数值研究存在两个问题:一方面滑移网格法[1]由于可以模拟搅拌桨叶和挡板间的相互作用而受到研究人员的关注,但是该方法计算周期长、计算成本高,这在很大程度上限制了它的广泛应用;另一方面涉及的桨型仅局限于传统的六叶涡轮[2, 3]、轴流桨[4]等单一桨型.对于中高黏流体,为了在整个搅拌设备内获得良好的混合和传热效果,常常需要使用组合桨.而目前国内外对组合桨的研究较少[2],对内外组合桨的数值分析未见相关文献报道.

　　基于上述考虑,本文以滑移网格法的基本思想为出发点,通过滑移周期概念的定义,试图寻求降低滑移网格法计算成本的有效途径.利用滑移网格法对带有新型内外组合桨的搅拌设备内的流场进行了数值研究.为了便于比较,同时计算了只有内桨或标准锚式桨搅拌的情况.新型内外组合桨的设计思想源于本课题组与抚顺石化公司合作项目专利[5],内、外桨之间利用转速分配器按一定的转速比反向旋转.通过对不同搅拌桨产生的宏观流动场、时均速度、速度变化率、剪切速率和轴向循环能力的研究,分析了带有新型内外组合桨的搅拌设备内的流动行为及流场分布特点,从而为这类桨型的进一步应用打下必要的工作基础.

　　1　滑移周期

　　1·1　滑移周期概念的提出

　　滑移网格法的基本思想在于合理考虑了搅拌桨叶和挡板间的相位关系差异,从而可以正确地模拟二者间流动的相干作用.在搅拌设备CFD分析中,周期TW指的是搅拌桨上的所有叶片回复到初始位置经历的时间.考虑到通常情况下搅拌桨具有结构对称性,因此如果忽略搅拌桨叶的个体差异,则在一个完整周期TW内搅拌桨叶与挡板间的相位关系将重复若干次.为此本文提出滑移周期的概念,其定义为忽略搅拌桨叶的个体差异,搅拌桨叶和挡板间的相位关系重复一次经历的时间.由于周期TW为滑移周期TS的若干倍,这样在保证相同时间步长的前提下,采用滑移周期后计算的时间步数将大大减小,从而导致计算成本的降低.

　　1·2　滑移周期公式的推导

　　对于本文研究的内外反转组合型搅拌桨,设搅拌内桨逆时针旋转,转速Ni,外桨顺时针旋转,转速No,通常Ni=RNo,R表示内外桨的转速比,其值为整数,则

　　根据滑移周期定义,经过最短时间TS1,当内桨叶片A的下一个叶片B的相位角θBt与外桨叶片C的相位角θCt相等时,内、外桨的相位关系与初始状态相同,参见图1 (a);或经过最短时间TS2,当外桨叶片C的下一个叶片D的相位角θDt与内桨叶片A的相位角θAt相等时,内、外桨的相位关系与初始状态相同,参见图1 (b).滑移周期TS则为TS1与TS2的最小值