浆液池搅拌器固液两相三维数值模拟

2018年第37卷第3期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·913·化 工 进展固液两相声共振混合数值模拟张毅铭1，马宁2，王小鹏1，陈天宁1（1西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049；2西安近代化学研究所氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西 西安 710065）摘要：声共振混合作为一种解决力/热敏感超细材料均匀分散混合问题的新方法，其技术特点是混合容器工作在共振状态下使用不超过200Hz 的振动产生低频声场促进混合。

本文采用气固液三相流模型对一种固体、一种液体在声共振混合容器中的混合过程进行建模。

固体颗粒与液体之间相互作用系数采用Gidaspow 公式。

采用固体颗粒体积分数标准偏差作为标准对混合均匀性进行了评价。

计算结果表明，在100g 振动加速度下容器中出现了体流现象，并初步计算了不同高宽比、不同激振参数条件下的混合特性，对计算结果进行了分析。

最后利用自搭建的声共振混合样机，分别在低固含量、高固含量条件下进行实验，记录混合过程中固体颗粒的运动轨迹。

实验结果初步验证了仿真模拟的正确性以及声共振样机的混合能力。

关键词：声共振混合；振动；多相流；混合；数值模拟中图分类号：TQ56 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）03–0913–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1292Simulation of resonant acoustic mixing of liquid-solid-phaseZHANG Yiming 1，MA Ning 2，WANG Xiaopeng 1，CHEN Tianning 1（1State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures ，Xi’an Jiaotong University ，Xi’an 710049，Shaanxi ，China ；2State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals ，Xi’an Modern Chemistry Research Institute ，Xi’an 710065，Shaanxi ，China ）Abstract ：Resonance acoustic mixing is a new method to solve the problem of uniform dispersion of theforce/heat sensitive ultra-fine materials. The technical feature of this technology is that the mixing vessel is working in a resonant state and uses a vibration at a frequency less 200Hz to produce a low frequency sound field to promote mixing. In this paper ，a solid-liquid three-phase flow model was used to model the mixing process of a solid liquid in an acoustic resonant mixing vessel. The interaction coefficient between solid particles and liquid is Gidaspow's formula. The mixing uniformity was evaluated by using the standard deviation of the volume fraction of solid particles. The results showed that the bulk flow phenomenon occurred in the vessel with 100g vibration acceleration ，and the mixing characteristics under different aspect ratios and different excitation parameters were calculated. The calculation results were analyzed. Finally ，the experiments were carried out under low and high solid volume fractions ，and the tracks of solid particles in the mixing process were recorded. The experimental results verify the correctness of the simulation and the mixing ability of the resonant acoustic mixing prototype.Key words ：resonant acoustic mixing ；vibration ；multiphase flow ；mixing ；numerical simulation声共振混合方法作为一种新型的混合技术，其技术特点是混合容器工作在共振状态下，使用不超过200Hz 的振动使被混物料内部由于低频声效应 而产生体流[1]。

2020 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2020文章编号：1003-9015(2020)04-0890-07搅拌釜内稠密固-液混合的数值模拟徐子龙, 孙宁, 杨潮, 刘宝庆, 金志江(浙江大学化工机械研究所, 浙江杭州 310027)摘 要：基于颗粒动力学理论对稠密固-液搅拌釜进行模拟，探究固相分布、固相悬浮高度及沉积高度随转速的变化规律。

结果表明，采用颗粒动力学理论(KTGF)模型能够较好地预测稠密固-液混合状态。

在较低的转速下，釜底的固相浓度较高，桨叶下方、釜壁与釜底的连接处易形成固相的沉积，且搅拌釜上方会出现清液区域。

随着转速的增加，固相在轴向分布逐渐均匀，固相沉积区域及固相悬浮高度分别缩小和升高。

但是，当转速达到一定程度后，固相均匀度及固相悬浮高度的改善不明显。

此外，将固相均匀度法、固相沉积高度法及固相悬浮高度法预测的临界离底悬浮转速与实验数据进行比较，模拟值分别低于、高于和低于实验值。

关键词：搅拌釜；颗粒动力学理论；稠密固-液两相流；计算流体力学中图分类号：TQ 051.7 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2020.04.006 Numerical study on dense solid-liquid mixing in a stirred tankXU Zi-long, SUN Ning, YANG Chao, LIU Bao-qing, JIN Zhi-jiang(Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: The dense solid-liquid flow in a stirred tank was simulated based on the kinetic theory of granular flow (KTGF), and the effects of impeller speed on solid distribution, cloud height and sedimentation bed height were investigated. The results show that the KTGF model can well predict the dense solid-liquid mixing state in the stirred tank. At the lower impeller speed, the solids have higher concentration at tank bottom and clear liquid forms in the upper zone, and solids are easy to sediment at location below the impeller and near the junction of tank wall and bottom. With the increase of impeller speed, the solid distribution in axial direction is gradually uniform, cloud height increases and the sedimentation area reduces. However, the improvement in solid homogeneity and cloud height is not obvious when the impeller speed increase and reaches a certain value. In addition, the critical just off-bottom suspension impeller speed predicted by the solid homogeneity method, sedimentation bed height method and cloud height method is lower, higher and lower than the experimental data, respectively.Key words: stirred tank; kinetic theory of granular flow; dense solid-liquid flows; CFD1前言固-液混合是化工领域重要的单元操作之一，其目的是将固-液两相充分接触，从而加快反应及传质速率[1]。

搅拌器数值模拟1 引 言搅拌混合是一种常规的单元操作，具有广泛的应用背景，搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传质、传热。

作为工业生产中工艺过程的一部分，搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。

在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。

本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算，分析搅拌流场特性，通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。

2 搅拌器流场数值模拟2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks 建模四叶涡轮搅拌器桨叶直径mm 106=D ，叶片宽mm 20=a ，厚mm 2=b ，轮毂直径20mm 。

三维模型建好后，保存为jiaobanqi.IGS 文件。

图1 四叶涡轮搅拌器2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit 建模（1）将生成的jiaobanqi.IGS 文件导入Gambit 中，得到volume1。

（2）建立搅拌槽模型本文采用平底圆柱形槽体，内径 mm 210=T ，槽内液位高度T H =； 搅拌器安装在轴径mm=d的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度316C=。

T图2 搅拌槽尺寸1）建立圆柱体模型，此模型作为搅拌器的动区域，圆柱体尺寸高为60mm，半径60mm。

之后需对圆柱体进行平移，由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上，本模型需使圆柱体沿着Z轴平移，设定Z轴的平移量为-20，得到volume2。

2）以同样的方法分别建立高为40mm，半径为8mm，高为210mm，半径为105mm，高为110mm，半径为8mm的3个圆柱体，分别为volume3，volume4，volume5，其中volume3无需平移，volume4沿Z轴平移-60，volume5沿Z轴平移40。

最终得到搅拌槽的模型如图3所示。

图3 搅拌槽模型（3）布尔运算本次模拟采用多重参考系模型( Multi-Reference Frame, MRF )。

液—固水力旋流器两相流动数值模拟研究进展液—固水力旋流器广泛应用于各个行业，如石油化工、选矿、造纸、医药卫生、环境保护和食品等。

近年来，随着各工业领域的不断发展，对液固分离技术与装备提出了新的挑战和更高的要求同时，为了适应当今不断高涨的降低能耗的要求，目前迫切需要开发出高分离速度、高脱水度、高分离精度的高性能液—固分离技术然而，由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋流器的性能不仅周期长而且费用高，如果辅助以理论分析计算和流场模拟等方法来研究旋流器内部流体流动规律，以及结构尺寸变化对分离性能和压力特性的影响等，则可缩短研究周期和实验费用，具有重要的理论研究和工程应用价值。

液—固水力旋流器结构及工作原理图1所示为典型的液—固旋流器，主要由进料口、溢流口、底流口和器壁组成。

其工作原理为，当液体高速旋转受离心力作用时，轻相向轴心迁移，从溢流口排出，重相向壁面运动，由底流口排出，从而实现轻相( 液) 和重相( 固) 分离的目的。

图1 典型液—固旋流器两相流场数值模拟研究进展液—固水力旋流器中液固分离的问题在数值模拟中定义为液体和固体不相容的两相流问题。

由于液固两相之间的相互作用和每一相的运动，传热传质和反应等的影响，颗粒相的模拟基本分为两类：一类是Euler方法，该方法除将流体作为连续介质外，把颗粒群也作为拟连续介质或拟流体，设其在空间有连续的速度和温度分布及等价的输运性质( 粘性扩散导热等) ；另一类是Lagrange方法，该方法把流体作为连续介质，而将颗粒群看作离散体系，并以此来探讨颗粒动力学颗粒轨道等基于这两种方法，研究者采用了不同的模型对旋流器内的两相分离过程进行了模拟研究。

K T Hsien和R K Rajamani( 1991)根据颗粒的受力平衡，用代数逼近法求出固体颗粒的滑移速度和轨迹，P He，M Salcudean和I S Gartshore(1997 )分别用二维和三维模型计算了旋流器的分离效率。

搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算“搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算”是指对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，并使用建立的数学模型来计算该两相流系统所消耗的功率。

搅拌槽内固液两相流是指在一定的范围内，搅拌槽内同时具有液体和固体两种形态的物料。

搅拌槽内的液体物料流动的速度可以改变，而固体物料则不会流动，只能受到液体的拖拽而进行悬浮运动。

这种情况下，搅拌槽内的水流会被悬浮物扰乱，使得一般情况下搅拌槽内的流动形式非常复杂。

因此，要对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，首先要建立一个准确的数学模型，这一模型必须描述搅拌槽内的液体流动、固体悬浮运动以及固液间的相互作用。

具体来说，可以使用 Navier-Stokes 方程来描述液体的流动，而使用 Kynch 方程或者修正的 Kynch 方程来描述固体悬浮的动力学。

在建立好数学模型之后，就可以开始进行数值模拟。

可以利用计算机进行数值模拟，采用控制方程来求解建立的数学模型，以计算搅拌槽内的流动状态。

在进行数值模拟之前，需要根据实际情况进行一些网格划分，以便将复杂的流动过程分解成一系列相互独立的子问题，最终得到搅拌槽内流动的数值解。

最后，可以利用建立的数学模型来计算搅拌槽内的功率消耗。

功率消耗可以分为两部分：涡流功率和摩擦功率，前者是指液体流动对管道壁的拉力，而后者则是指液体流动与固体悬浮物之间的摩擦力。

可以利用建立的数学模型，计算出涡流功率和摩擦功率，最终得出搅拌槽内固液两相流的总功率消耗情况。

总之，“搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算”是指对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，并使用建立的数学模型来计算该两相流系统所消耗的功率。

这一过程中需要建立准确的数学模型，将复杂的流动过程分解成一系列相互独立的子问题，最终计算出搅拌槽内涡流功率和摩擦功率，以得出总功率消耗情况。

第20卷 第11期 中 国 水 运 Vol.20 No.11 2020年 11月 China Water Transport November 2020收稿日期：2020-01-10作者简介：柯 林（1990-）男，硕士，武昌船舶重工集团湖北海洋工程装备研究院有限公司，工程师。

深海搅拌器内固-液两相流的数值模拟柯 林，张三丰，彭必业（武昌船舶重工集团湖北海洋工程装备研究院有限公司，湖北 武汉 430063）摘 要：基于RNG k-ε湍流模型和Euler 多相流模型，结合滑移网格技术，在考虑了搅拌器结构和作业环境下建立了深海搅拌器数值计算模型。

研究了不同搅拌桨安装形式下搅拌器内的流场流动特性。

结果表明：RNG k-ε湍流模型和Euler 多相流模型能够较好的捕捉到流场湍流特性；横向式搅拌桨安装结构搅拌器内流场回流区范围较小，硫化物颗粒分布较为均匀，堆积较少，搅拌效果较好。

同时计算得到搅拌轴的功率，为工程选型提供理论依据。

关键词：计算流体力学；固-液两相流；数值模拟中图分类号：Q819 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）11-0052-04搅拌器是现代工业生产中的典型工艺设备之一，在化工、食品、造纸、环保等行业具有广泛的应用[1-3]，由于搅拌目的的多样性，平均流动、叶片旋转的周期性波动、湍流流动脉动这些不同的流动形式也存在于搅拌器内部，使得搅拌器的内部流动特性研究变得更加复杂，但是目前的研究并不具备完善的理论体系，设计者往往依靠设计经验和实验数据来设计[4]。

近年来，计算流体动力学（CFD）的发展为搅拌器的优化设计带来了革命性的胜利。

利用CFD 技术对搅拌器进行数值模拟，使研究人员摆脱了实验设备的束缚，减小了实验规模、实验成本、实验周期[5-6]，因此国内外学者越来越多地注重CFD 在搅拌器上的应用。

G.Michale 等人[7]采用欧拉-欧拉模型研究了低、中浓度固体颗粒在单层桨和多层桨搅拌槽中的分散性，模拟结果与实验测得的固体颗粒轴向浓度分布基本一致。

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2013.07.015不同搅拌参数的双层浆搅拌槽三维流场数值模拟李志刚，贾慧芳，王健（华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，南昌330013）摘要：运用Fluent软件，采取多重参考系法（MRF）和标准k-ε紊流模型对搅拌槽在水中产生的流场进行数值模拟，分析了桨叶高度和转速对三维流场的影响，并对其宏观流动特性和时均速度分布进行详细对比分析。

结果表明，当上桨叶高度为1 200 mm、转速为1 909 r/min（200 rad/s）时，搅拌效果最佳。

关键词：搅拌槽；搅拌参数；多重参考系法；数值模拟中图分类号：TB115 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2013）07-0000-00Numerical Simulation of Three-dimensional Flow Field in Different Stirring Parameters of Stirred Tank of Double-folded BladesLI Zhi-gang, JIA Hui-fang, WANG Jian(Key Laboratory of Ministry of Education for Conveyance and Equipment, East China Jiaotong University, Nanchang330013, China)Abstract: The flow field of stirring tank produced in water was numerically simulated by Multiple Reference Frame (MRF) and standard k-ε turbulent model. The effects of blade height and rotating speed on three-dimensional flow field of stirring tank were analyzed. The macroscopic flow characteristics and averaged velocity distribution were compared and analyzed in detail. The results show that the optimum stirring effect is obtained under the conditions of blade height of 1 200 mm and rotating speed of 1 909 r/min (200 rad/s).Key words: stirring tank; stirring parameters; multiple reference frame; numerical simulation搅拌槽广泛应用于化学工业、石油化工行业、生物工程、制药工程、材料加工以及食品加工等领域[1]。

搅拌罐内液固两相流动的模拟研究
搅拌罐具有传热传质特性好,处理量大的优势,在化工能源、生物、食品及制药等工业中有着广泛应用,搅拌罐内的水力行为是设计和操控此设备的关键。

液固搅拌罐内颗粒流动行为能够正确地反映出搅拌过程的混合程度,因此本文采用数值模拟方法对带有挡板的三维液固搅拌罐内的颗粒流动行为进行研究,为以后的理论研究和优化设计提供参考。

本文采用欧拉-欧拉双流体模型结合颗粒动理学理论,模拟了带挡板的液固搅拌罐内的颗粒流动特性。

液固相间作用力采用Huilin-Gidaspow曳力模型进行计算,同时考虑了虚拟质量力的影响。

多重参考系法(MRF)用于处理计算区域的旋转。

首先对牛顿流体为液相的液固搅拌罐进行模拟,研究结果表明:搅拌罐由三个流动区域组成,分别是叶片循环区、近壁区和诱导锥形区。

随着搅拌转速的增加,湍动能和固相速度增大,颗粒脉动加剧。

颗粒密度对颗粒流动的影响很小,而液相粘度对颗粒运动有很大影响,随着液相粘度增大,湍动能和颗粒温度增大,罐内各个部分的混合程度接近。

并且将模拟结果与Pianko-Oprych等人的实验值进行对比,验证了模型的正确性。

其次对剪切稀化流体和固相在搅拌罐内的混合过程进行数值模拟,改变稠度系数和流性指数,模拟结果表明:搅拌桨周围存在着对称的颗粒浓度较低的洞穴区,而外部区域流体运动速度较小形成停滞区。

同时随着流性指数增大,颗粒轴向速度和湍动能均增大,并且流性指数对于叶片上方和下方的颗粒拟温度产生了相反的影响。

随着稠度系数增大,罐内洞穴区的直径减小,颗粒速度和湍动能增大,在叶片循环区和近壁区颗粒拟温度增大,
混合程度增强。

相比于流性指数,稠度系数对湍动能的影响较小。

基于Fluent的搅拌器固液两相流数值模拟
谭欢;郑维师;王正金
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2022(51)9
【摘要】固液两项混合是工业中比较常见的现象,然而固液混合不均的现象时有发生,其中转速对固液混合影响相对较大,因此需要分析转速对双层搅拌器内流体流动状态和固相颗粒分布的影响。

针对双层搅拌桨的搅拌器,运用流体仿真软件Fluent 对其固液混合的流场特性进行数值模拟。

选用Mixture多相流模型、RNG k-ε湍流模型和多重参考系模型(MRF)进行仿真,在稳态条件下模拟搅拌器内的速度分布和不同转速下固体颗粒体积的分布情况。

结果表明:搅拌器类型为径向流搅拌器,搅拌桨附件出现明显的径向流动,并且在高速旋转下都存在打旋的现象,搅拌器内的固体颗粒在350 r/min的转速下达到完全离底悬浮,随着转速的继续增加搅拌器内固体颗粒的分布没有明显变化。

该研究结果可为搅拌工艺拟定和搅拌器结构设计提供一定的科学依据。

【总页数】3页(P191-193)
【作者】谭欢;郑维师;王正金
【作者单位】中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ027.2
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1.基于 FLUENT 气固两相流数值模拟与分析
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3.基于FLUENT的双螺带混合机固液\r两相流数值模拟
4.基于Fluent的旋风分离器气固两相流数值模拟
5.深海搅拌器内固-液两相流的数值模拟
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