不锈钢搅拌器内部流场数值模拟

点击次数:   更新时间:19/05/29 09:00:05     来源:www.zbhxjiaoban.com关闭分    享:
  不锈钢搅拌器是一种使不同无聊均匀混合的设备,在工业生产中的应用十分广泛,如何提升设备的工作效率对于使用者来说是十分重要的,与企业生产与开支息息相关。
  计算流体动力学(简称CFD)技术具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验和流动诊断等作用。Fluent软件是目前处于商业CFD软件包之一,是模拟和分析复杂几何区域内流体流动的专用软件。本文采用CFD技术用Fluent软件来模拟在不同桨叶直径、转速和桨叶数的情况下,得出搅拌器内流场分布图像,故而可以直接观看到它的内部流动情况,以期为搅拌器的优化设计工作提供参考。
  1、不锈钢搅拌器数值模拟过程
  研究的是桨叶直径、桨叶转速、桨叶数对搅拌器搅拌性能的影响。采用桨叶直径分别为400mm(长H=190mm,宽L=20mm)、500mm(长H=240mm,宽L=20mm)、600mm(长H=290mm,宽L=20mm)以研究桨叶直径对搅拌器的影响。采用桨叶转速分别为2rad/s、4rad/s、6rad/s以研究桨叶转速对搅拌器的影响。采用四叶桨式搅拌器、六叶桨式搅拌器、八叶桨式搅拌器,浆片都是直列式,以研究桨叶数对搅拌器的影响。搅拌桶的半径R=40cm,坐标系原点位于搅拌叶轮中心,基于旋转的速度和工质水,可以确定搅拌器内部流动为湍流。
  2.1建立模型
  不锈钢搅拌器二维模型使用Gambit建立,
  2.2边界条件
  调节条件:将搅拌桶的外壁和搅拌器桨叶的边定义为Wall环形面和内部的面交界处是两条重合的边,设置它们为Interface 边界条件,名称分别叫做“interface-1和“interface-2”。由于使用的是MRF模型,还需要定义区域,即对不同的子域进行命名。指定外面环面的类型为Fluid,名称为“stationary”;指定内部的面类型为Fluid,名称为“swirl”。
  2.3求解计算
  Fluent软件选择单精度二维求解器;设置计算区域尺寸和单位制尺寸中的网格尺寸按厘米进行生成;使用压力基求解器;湍流模型选择k-epsilon双方程模型;定义流体的物理性质中,在Fluent Database中调出水的物理参数;求解控制参数的设置中,差分格式采用一阶迎风方式,压力-速度耦合求解方式中选择Simple算法。
  3、结果及分析
  3.1不锈钢搅拌器桨叶直径的影响
  以四叶桨式搅拌器为例,2rad/s的桨叶转速,分别模拟桨叶直径为400mm、500mm、600mm的桨叶结果分析:随着桨叶直径的增大,使整个搅拌设备内的流场分布更均匀,流体混合更充分,搅拌器内速度分布变好,速度在各个区域内都很同步,但桨叶直径的增大,使得材料用量增加,制造费用提高,安装麻烦,还会增加其本身的受力,使其使用寿命降低。
  3.2桨叶转速的影响
  以四叶桨式搅拌器为例,桨叶直径为400mm,分别对桨叶转速为2rad/s、4rad/s、6rad/s进行数值模拟结果分析:从图8~10的速度矢量图中可以看出,随着转速的提高,搅拌器内流场分布更加均匀,搅拌效果明显增强,但是转速的提高会加大搅拌轴的受力,电机功率也会增大,能耗增加,从而可能导致搅拌器和搅拌轴的结构尺寸需要重新设计。
  3.3不锈钢搅拌器桨叶数的影响
  随着桨叶数的增加,搅拌器内的搅拌效果得到增强,流场分布比较均匀,但效果不是很明显。同时增加桨叶数会带来一些负面效果,它会增加材料用量从而使得成本增加;也会使得材料应力增大,减少使用寿命,因此对于增加桨叶数的方法来提高搅拌效果应该综合各方面考虑,选择合适的桨叶数。
  通过建模分析我们可以得出结论,不锈钢搅拌器桨叶直径、桨叶转速和桨叶数的增加有利于搅拌的混合均匀,但是同时会增加对技术的要求,使得成本有所提升,因此企业在购买设备前需要综合多方面的因素进行考虑,挑选出适合自己的产品。
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