cfd技术在搅拌器中的应用

Vol.35No.52009 10华东理工大学学报(自然科学版)Journal of Eas t Chin a University of Science and Techn ology (Natural S cien ce Edition)收稿日期:2008 11 03作者简介:杨琳琳(1980 ),女,山东人,硕士生,研究方向:计算流体力学。

通讯联系人:曹贵平,E mail:gpcao@ecu 文章编号:1006 3080(2009)05 0693 08螺带螺杆搅拌釜中高黏流体的CFD 模拟计算杨琳琳, 吴高杰, 陈剑佩, 曹贵平(华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海200237)摘要:高黏聚合体系的搅拌混合应用广泛,是聚合物合成工业中的关键,但采用实验方法难以得到其流场。

应用ANSYS CFX 软件模拟计算高黏聚苯乙烯溶液体系在不同螺带螺杆组合搅拌釜中的流场特征,分别采用不同的计算流场模型进行求解,其中搅拌釜气 液两相界面采用与实际情况较为接近的自由液面,旋转区域采用滑移网格法处理,液相采用不同黏度的高分子黏性流体,计算比较了不同搅拌桨组合下的流场特征,论证了双螺带螺杆搅拌桨在高黏流体混合中的优越性,同时得到不同黏度和不同转速下搅拌釜内的液面形状、速度场和搅拌功率,为实际生产及工业优化提供了理论参考。

关键词:搅拌釜;自由液面;螺带螺杆;计算流体力学(CFD)中图分类号:T Q018文献标志码:ACFD Prediction of Stirred Tank with Double Helical Ribbon andHelical Screw Ribbon ImpellersYA N G L in lin, W U G ao j ie, CH EN J ian p ei , CA O Gui p ing (S tate K ey L abor ator y of Chem ical Engineer ing ,East China Univer sity ofScience and T echnology ,Shang hai 200237,China)Abstract:The flo w field characteristic of hig h v isco sity polysty rene so lution in stirred tank w ith differ ent helical ribbon and helical screw ribbon assem ble impellers w ere calculated by com mercial CFD co de ANSYS CFX.Different mo dels for flow field calculation w ere em plo yed in the simulatio n.A mong them ,a free liquid surface mo del for the gas liquid surface in the stir red tank,w hich is close to reality oper ation condition,w as used.T he sliding g rids method w as employed to deal with the rotating reference fr am e fo r impeller area.The liquid phases w ere the polym er solutio ns w ith different v iscosities.The flo w fields w ith various com bination of impellers w ere co mpared.The o utstanding perform ance of double helical ribbon and screw ribbon impellers in hig h viscosity liquid w as confirmed.T he shape o f liquid surface,the velocity field and the pow er consumption of stir ring w ere calculated,w hich are v alueable for industrial oper ation and optim ization.Key words:stirred tank;free sur face;helical ribbon;com putational fluid dynam ics(CFD)搅拌釜是化工过程中的核心设备,被广泛应用于石油、化工、材料、医药等众多领域。

4000m³原油储罐搅拌效果仿真模拟报告作者：***日期：2022年10月20日1．概述搅拌混合广泛应用在化工、冶金、生化、食品等许多工业过程中。

搅拌功率、传热系数、混合时间和循环次数是搅拌器设计的重要参数，搅拌罐内叶轮功率消耗的大小是搅拌罐内液体搅拌程度和运动状态的度量，也是选择电机功率的依据；各项搅拌参数取决于搅拌器内所期望的流动状态，因此，基于计算流体力学（CFD）技术的搅拌器内部流动的详细分析即可以获得流场的详细信息，分析搅拌程度和运动状态，同时还可以基于流动分析结果获得各项搅拌特性参数。

为了准确计算4000m3储槽侧入式搅拌器的主要搅拌特性参数，本报告采用计算流体力学分析软件对该罐进行内部流动分析，基于流场结果计算搅拌功率、进而为设计提供参考依据。

2．搅拌器参数本报告针对4000m3储槽侧入式搅拌器设计图纸的结构参数进行分析，其结构如图1所示。

罐全容积为4000m3，装料高度13000mm。

操作介质：原油，密度1080kg/m3，粘度20cp。

操作参数为：搅拌转速350rpm。

图1 方案图3．计算模型3.1模型处理由于搅拌器所需的搅拌功率取决于搅拌罐内的流型和湍动程度，搅拌功率与叶轮形状、大小和转速、流体性质、搅拌罐尺寸和内部挡板条件以及叶轮在罐内位置等有直接的关系。

因此，模型的建立重点考虑了叶轮、搅拌罐、轴等结构的详细尺寸信息和位置信息，较真实地模拟了其实际条件。

罐体和搅拌器的三维模型如图2所示。

图2三维模型3.2网格划分流动计算域的大小对应装料高度13000mm时的情况。

网格划分采用分块技术，各块采用不同大小的网格划分，使整个流域都能采用高质量网格。

所有体网格均为四面体和六面体混合网格。

流体计算域的网格划分结果如图3所示。

图3流体计算域的网格划分结果示意图4．功率计算结果通过搅拌罐内流场的分析结果，可得到各搅拌叶轮的扭矩、功率以及总扭矩和搅拌功率。

鉴于计算本身和模型建立时存在一定的误差，并且考虑启动功率，特别是物料为非牛顿流体时的启动功率，本报告对所有计算结果均考虑20%的余量，以增加保险系数。

基于CFD软件的搅拌罐开发和优化摘要：拌罐在造纸、化工、石化、制药、食品加工和生物化工等领域有着广泛的应用。

在反应器的放大和设计中，因为反应器内单相和多相流体流动都很复杂, 研究者多采用一些无因次全局参数和基于全局值的经验、半经验关联式，流体力学的数学模型还需要深入。

为了充分了解搅拌罐内的流动特性，本文在计算流力学理论（CFD）的基础上，对搅拌罐内的流动特性进行了初步的数值研究。

选用多重参考系法对搅拌桨进行模拟。

在不同桨叶半径和不同转速对搅拌罐内的搅拌特性进行模拟分析。

通过模拟结果的比较得出搅拌的最佳优化结果。

关键词：搅拌罐数值模拟计算流体力学1. 前言搅拌混合是化工工业过程中最常见，也是最重要的单元操作之一，其主要目的是加速体系传质或传热过程。

对机械搅拌混合设备而言，机械能通过旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能，从而形成槽内的整体流动，完成传质及传热过程。

对搅拌设备内流场的测量往往只能获得一些局部的信息，而且流场测量的实验装置一般比较昂贵，实验过程比较费时。

对某些过程有时是无法进行实验测量的。

近年来，随着技术的发展，利用数值模拟的方法获得搅拌罐内的流动与混合信息已经成为现实[1]。

利用数值模拟方法可以节省大量的研究经费，而且可以获得许多实验手段所不能得到的数据，CFD 技术的出现极大地促进了搅拌混合研究。

CFD 可以模拟在不同搅拌桨的型式、尺寸和离底距离等条件下，流场对混合、悬浮和分散等过程的影响。

流动、能量耗散等的计算可视化，可以直观地了解槽内的混合情况，确定已存在系统中问题所在，并进行搅拌器的优化设计，消除死区，确定加料口位置等。

针对这个问题有几种不同的模型方法：黑箱模型法，内外叠代法，多重参考系法，滑移网格法，大窝模拟法等[2]。

多重参考系法与滑移网格法的计算结果在稳态的模拟上，保持了较好的一致性[3-4]，而前者节省了大约一个数量级的计算时间。

因此本文主要利用CFD 分析软件 ----------- FLUENT 软件，采用多重参考系法对搅拌罐内流动混合过程进行分析模拟计算。

试论流体机械设计中CFD技术的运用摘要：CFD是对流体动力学进行计算的方法，它是计算机科学和数值数学发展的产物，应用的主要软件是FLUENT。

CFD使用电子计算机作为主要操作工具，并结合数学方法，在操作期间计算和流体动力学相关的问题。

本文主要探究了CFD技术在流体机械设计的运用。

关键词：流体机械设计；CFD技术；运用引言：随着我国经济的快速发展，我国的工业实力也在不断增强，CFD技术作为现代化先进科学技术，在我国应用也得到推广。

在20世纪后期CFD技术在机械领域拥有很大的市场，目前CFD技术主要应用在一些机械部件设计上，对提高机械制造业水平发挥着重要作用。

一、CFD技术的概述CFD是英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的简称。

它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。

简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。

而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。

可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。

由于CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。

二、CFD技术的优势近年来，随着CFD方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高。

CFD方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用。

人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟成为可能，CFD方法将在一定程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。

因此，人们深信CFD方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说CFD方法为流体机械设计提供了新的途径。

开发应用2008,Vol .25N o .7化学与生物工程Chemistry &Bioen gineering54　收稿日期:2008-03-21作者简介:蒋啸靖(1982-),女,上海人,硕士研究生,研究方向:发酵工程;通讯联系人:张嗣良,教授。

E -mail :siliangzh @ecust .edu .cn 。

生物搅拌反应器内混合情况的CFD 模拟及在发酵中的应用蒋啸靖,夏建业,赵　劼,储　炬,王永红,庄英萍,张嗣良(华东理工大学生物反应器国家重点实验室,上海200237) 摘　要:用计算流体力学(CF D )方法模拟了50L 生物反应器中不同的搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响,并从流体力学角度对生物反应器搅拌桨组合进行了优化。

将模拟优化结果用于重组大肠杆菌发酵过程,结果表明,优化后的搅拌桨组合可以改善发酵罐内部的流场和气体分布,能够明显降低获得相同溶氧所需的转速和最大通气量,而菌体生物量和产酶水平也略有提高。

关键词:计算流体力学;生物搅拌反应器;多桨叶系统中图分类号:T Q 920.1 文献标识码:A 文章编号:1672-5425(2008)07-0054-04 生物搅拌反应器中流体混合过程对放大培养是一个关键的限制因素,不同的搅拌桨组合对混合过程有很大影响,随着桨叶组合不同,反应器内各处的流体力学性能、溶氧浓度、营养物浓度、湍流能量耗散强度等参数也有很大不同[1～3]。

混合时间是表征搅拌槽反应器内流体混合过程、评定搅拌器效率的一个重要参数。

Kalischew ski 等[4]及Jaramilo 等[5]分别在搅拌反应器和环流反应器中研究了氧传递系数与混合时间的关系,结果表明对混合时间的研究能给出反应器中总体反应速率及传质和传热速率的信息。

然而,实验测定混合时间无法在不透明的罐体中进行,所测数据被限制在罐体中的个别点,所需设备价格昂贵,并且要求满足严格的实验条件。

近年来,计算流体力学(CFD )方法在发酵过程研究中获得长足发展,利用CFD 方法可以方便地获得搅拌槽内的混合信息,节省大量的研究经费,获得实验手段所不能得到的数据。

CFD技术在化工机械设计中的应用摘要：CFD技术又称计算机流体力学，目前该项技术广泛应用于化工机械设计领域以提升设备使用性能，具有一定应用优势。

现阶段，基于化工机械设计发展市场，相关管理部门及企业自身不断加大资金及技术投入，旨在通过利用先进设计技术如CFD技术提升生产能力以满足市场需求。

基于此，本文将主要从CFD 技术的概念简述出发，对CFD技术在化工机械设计中的具体应用及应用优势进行重点分析。

关键词：CFD技术；化工机械设计；数值模拟；计算机流体力学前言CFD技术是在近代科学技术不断发展的前提下，综合数值数学与计算机科学的一种具有强大应用能力的交叉学科知识产物。

CFD技术通过利用计算机技术，将不同数学方程中的积分、微分重新进行组合代数以获得离散的数值解，目前广泛应用于流体机械产业中。

通过将CFD技术应用于化工机械设计有利于改善以往化工机械设计模式中存在的弊端，同时促进化工机械设备使用性能及作业质量的提升，满足企业和市场发展需求。

1.CFD技术概念简述CFD技术有称计算机流体动力学技术，是新时代下计算机技术、数值数学以及流体力学等不同学科综合作用的产物。

其基本作用原理在于通过利用计算机将数学方程式数值求解进行离散并重新代数组合的方式，获得在流体流动中离散状态下的数值解。

通过利用CFD技术，化工机械设计可以利用流体流动中离散状态下的方程式，重新对各项相关数据进行评估[1]。

充分利用离散状态下问题控制的非线性特征对机械设计中不同数值的参数进行验证分析。

与此同时，CFD技术的应用也在科学层面为化工机械设计的数据验证提供更为高效的评估方法。

更为重要的是，CFD技术的应用在化工机械设计实践中可以为相关工作人员提供更为详尽、完整的数据参照。

在解决参数计算进行数据建模的过程中，可以突破常规物理模型及实验模型限制，具有强大的应用能力。

1.CFD技术在化工机械设计中的具体应用2.1在旋风分离器中的应用2.1.1建立模型通过利用CFD技术可以设计旋风分离器进行化工机械生产中的分离、除尘等具体工作，提升化工机械生产效率。

计算流体力学模拟技术在化工过程设计中的应用指南计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术是在计算机上对流体流动的运动进行数值模拟和分析的一项重要技术。

它通过对流体的宏观性质进行建模和离散化计算，可以预测和优化流体流动的行为，为化工过程设计提供了重要的工具和方法。

一、CFD模拟在化工过程设计中的意义CFD模拟技术具有较高的精度和灵活性，可以模拟和分析各种复杂的流体流动情况，如气体、液体和颗粒物的流动、传热和反应等。

在化工过程设计中，CFD模拟可以提供以下方面的帮助。

1. 流体力学特性分析。

通过CFD模拟可以获得流动场中的各种物理量分布，如速度、压力、温度等，从而对流体流动的特性进行分析和评估。

这有助于设计和优化化工设备，提高其工作效率和安全性。

2. 设备性能评估。

利用CFD模拟，可以模拟和分析化工设备的运行情况，包括反应器、分离塔、换热器等。

通过评估设备的性能指标，如传热系数、分离效率等，可以优化设备结构和参数，提高设备的性能和经济性。

3. 流动过程优化。

CFD模拟可以模拟和预测复杂的流体流动过程，如搅拌过程、混合过程和反应过程等。

通过调整流动的结构和参数，可以优化流动过程，提高反应效率和产物选择性。

二、CFD模拟在化工过程设计中的应用案例下面通过几个具体的应用案例，说明CFD模拟在化工过程设计中的应用指南。

1. 反应器设计与优化在化学反应中，反应器的设计和优化对于提高反应效率和产物选择性至关重要。

CFD模拟可以模拟和分析反应器中的流体流动和反应过程，通过调整反应器结构和参数，提高传质效果和反应均匀性。

可以优化反应器的温度分布、压力场和物质传递方式，进而提高反应速率和产物质量。

2. 搅拌槽的仿真和优化搅拌槽是一种常见的化工设备，在化工过程中起到混合物料、加热反应等作用。

CFD模拟可以模拟和分析搅拌槽中的流动和混合过程，通过调整搅拌器的参数（如转速、叶片形状等），可以优化搅拌槽的流体流动和混合效果。

cfd 旋转搅拌动量方程CFD (Computational Fluid Dynamics，计算流体力学) 旋转搅拌动量方程引言：旋转搅拌是一种常见的工业搅拌过程，在化工、食品、制药等领域广泛应用。

研究该过程中的流体流动行为对于优化设备性能和提高产品质量非常重要。

在计算流体力学模拟中，动量方程是描述流场运动的基本方程之一。

本文将重点介绍CFD模拟中旋转搅拌动量方程的建立和求解。

旋转搅拌的基本原理：在旋转搅拌过程中，搅拌器通过旋转运动将液体进行搅拌混合。

在传统的CFD模拟中，通常采用雷诺平均N-S方程来描述流体流动。

在其基础上，引入涡粘模型和k-ε模型，考虑湍流效应，提高计算精度。

旋转搅拌动量方程的建立：在旋转搅拌中，液体受到搅拌器的强迫搅拌力和涡粘力的作用，其动量方程可以写成如下形式：∂(ρu)/∂t + ∂(ρuv)/∂x + ∂(ρuw)/∂y + ∂(ρuz)/∂z = -∂p/∂x + ∂(τxx)/∂x + ∂(τxy)/∂y + ∂(τxz)/∂z + ρgx +Fx∂(ρv)/∂t + ∂(ρuv)/∂x + ∂(ρvv)/∂y + ∂(ρvz)/∂z = -∂p/∂y + ∂(τyx)/∂x + ∂(τyy)/∂y + ∂(τyz)/∂z + ρgy + Fy ∂(ρw)/∂t + ∂(ρuw)/∂x + ∂(ρvw)/∂y + ∂(ρww)/∂z = -∂p/∂z + ∂(τzx)/∂x + ∂(τzy)/∂y + ∂(τzz)/∂z + ρgz + Fz其中，ρ为流体密度，u、v、w 分别为流体在 x、y、z 方向的速度分量，t为时间，p为压强，τ为黏性应力张量，g为重力加速度，F为外部力源的项。

动量方程的求解：在CFD模拟中，动量方程的求解通常采用数值方法，如有限差分法、有限体积法或有限元法。

其中，有限差分法是最常用的方法之一。

数值求解的关键在于将偏导数离散化为差分形式，并采用迭代算法求解离散后的方程组。