雙層三葉式攪拌器的氣液攪動(dòng)

機(jī)械攪拌器廣泛應(yīng)用于生物化工領(lǐng)域，但因攪拌引起的流型產(chǎn)生復(fù)雜的氣-液流體特性，使該流體特性定量測(cè)量很難有效進(jìn)行，增加攪拌器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與放大設(shè)計(jì)的難度。使用仿真模擬方法可以很好地解決以上問(wèn)題。

利用攪拌模擬仿真軟件對(duì)雙層三槳葉攪拌器的氣液攪動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)精細(xì)的網(wǎng)格劃分和仿真設(shè)置，模擬了攪拌器內(nèi)部的氣液流動(dòng)情況，得到了其內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布、壓力分布和體積分?jǐn)?shù)分布。

在仿真過(guò)程中，首先建立了雙層三槳葉攪拌器的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。為了提高仿真精度，對(duì)攪拌槳附近和關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。隨后設(shè)置了仿真參數(shù)，包括流體密度、粘度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在軟件設(shè)計(jì)中，采用了多參考坐標(biāo)系模型來(lái)模擬攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)設(shè)置動(dòng)域和靜域，并定義交界面，實(shí)現(xiàn)了攪拌器內(nèi)部流體的動(dòng)態(tài)模擬。同時(shí)，采用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型來(lái)描述流體的湍流特性。仿真結(jié)果顯示，雙層三槳葉攪拌器在氣液攪動(dòng)方面表現(xiàn)出良好的性能。后續(xù)可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)其進(jìn)行更為細(xì)致的數(shù)值模擬，以進(jìn)一步優(yōu)化其攪拌效果，提高氣液傳質(zhì)效率。

建立幾何模型時(shí)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化便于數(shù)值模擬過(guò)程，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)其施加一定的控制（如曲率和偏度）以提高網(wǎng)格質(zhì)量，綜合得到網(wǎng)格質(zhì)量大于0.2即可滿足一般仿真需求。幾何模型和網(wǎng)格劃分如下圖所示。

攪拌器內(nèi)初始?xì)庖悍植既缦聢D所示，設(shè)定槳葉轉(zhuǎn)速N=300 r/min，攪拌器內(nèi)初始速度分布如下所示。

攪拌器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，氣液分布如下圖所示，氣液交界處呈現(xiàn)下凹式分布，且流場(chǎng)沿著攪拌軸左右對(duì)稱。攪拌器內(nèi)壓力分布如下圖所示，攪拌器上部，壓力等于大氣壓，攪拌器下部，壓力自攪拌軸到壁面逐漸增大，攪拌器下部?jī)蛇吙拷诿嫣帀毫Ω蟆?/p>

下圖展示的是攪拌器內(nèi)流場(chǎng)的速度矢量圖和槳葉速度分布。