摘 要

搅拌设备是一种最常见的工业生产设备，它在各种工业生产中都有着极其广泛的应用，例如生物制药，石油化工，金属提炼，食品加工，废水处理，能源动力等，同时也在化工，轻工中有着大量的应用。搅拌设备因用途广泛而成为了许多现代工业领域中不可或缺的装置。从制药与食品工业到消费品和塑料生产领域，工业搅拌设备是许多领域的关键要素，同时其用途也极其广泛。搅拌设备不仅可以通过合并不同元素来创造均匀的混合物，还能减小颗粒的尺寸并使其产生化学反应。

本文将采用ANSYS16.1的CFX软件对泥浆搅拌器内部流场特性进行数值模拟分析。通过对四45°折叶桨在500rpm、600rpm、700rpm、800rpm四种转速下对比周向截面、轴向截面的湍动能云图、速度云图和压力云图等来分析四种转速下泥浆流场的运动规律。所得结果对于优化泥浆搅拌器混合效率具有重要指导意义。

结果表明: 一味的提高转速并不能有效增加搅拌装置的混合效果，转速过高会对搅拌桨叶和搅拌釜的承压能力有更高的要求，在本文工况下，600rpm是最佳的转速，搅拌效率高，同时材料要求易于达到。

关键词: 折叶桨；内部流场；固液两相；数值模拟

Abstract

Mixing equipment is one of the most common industrial production equipment. It has extremely wide applications in various industrial productions, such as bio-pharmaceuticals, petrochemicals, metal refining, food processing, wastewater treatment, energy and power, etc. There are numerous applications in light industry. Mixing equipment has become an indispensable device in many modern industrial fields because of its wide range of applications. From the pharmaceutical and food industries to the production of consumer products and plastics, industrial mixing equipment is a key element in many areas, and its use is also extremely wide. Mixing equipment can not only create a uniform mixture by combining different elements, but also reduce the size of the particles and cause them to react chemically.

This article will use ANSYS16.1 CFX software to simulate the internal flow field characteristics of the mud agitator. The motion of the mud flow field at four speeds was analyzed by comparing the turbulent energy cloud diagram, velocity cloud diagram, and pressure cloud diagram of the circumferential section and the axial section at four rotation speeds of 500 rpm, 600 rpm, 700 rpm, and 800 rpm. law. The obtained results have important guiding significance for optimizing the mixing efficiency of the mud agitator.

The results show that: blindly increasing the rotational speed can not effectively increase the mixing effect of the stirring device. Too high rotational speed will have higher requirements for the pressure bearing capacity of the stirring blade and the stirring vessel. Under the conditions of this paper, 600 rpm is the best rotation speed. , Stirring efficiency is high, and material requirements are easily achieved.

Key Words:Folding blade propeller; internal flow field; solid-liquid two-phase; numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 研究现状 2

1.3 搅拌装置与搅拌特性 3

1.3.1 搅拌装置简介 3

1.3.2 搅拌器分类 4

1.3.3 新型搅拌器 6

1.3.4 搅拌器的搅拌特性 9

1.4 本文主要工作 10

第二章 泥浆搅拌器内部流场模拟方法 11

2.1 CFD软件介绍 11

2.2 CFD方法的求解过程 12

2.3 流体控制方程 13

2.4求解的方法 15

2.5边界条件定义 15

2.6搅拌桨叶片的处置 15

2.7 湍流模型的使用方法 17

2.8 收敛判断 18

2.9 本章小结 18

第三章 四45°折叶泥浆搅拌流场分析模拟的建立 19

3.1 建模与计算方法选择 19

3.2 搅拌区网格划分 21

3.3 边界条件设置 24

3.4 本章小结 24

第四章 四45°折叶泥浆搅拌流场特性分析 25

4.1 计算结果分析 25

4.1.1 四种转速下的收敛曲线 25

4.1.2 液相压力分布图 27

4.1.3 速度云图 30

4.1.4 动量云图 32

4.2 本章小结 34

第五章 结果和展望 35

5.1 论文工作和结果 35

5.2 研究展望 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

搅拌设备是一种最常见的工业生产设备，它在各种工业生产中都有着极其广泛的应用，例如生物制药，石油化工，金属提炼，食品加工，废水处理，能源动力等，同时也在化工，轻工中有着大量的应用。搅拌装置由于被广泛使用而变成了众多现代工业领域中不能缺少的设备。在食品工业、制药、消费品以及塑料生产领域等，工业搅拌设备是许多领域的关键要素，同时其用途也极其广泛。搅拌装置在通过混合不同物质来获得均匀的混合流体，同时减小固体尺寸最终发生化学变化。

搅拌器是令固体、气体、液体介质强制流动并且均匀混合的设备，用来把不同化学物质进行混合，特别是在化工中的应用，多达一半以上的工艺操作都包含着搅拌这一过程，在这些工业处理过程中有着一系列的化学反应，通常是把参与反应的固体、液体或者气体物质混合均匀作为先决条件，而对于其他的一些混合过程，例如加热和冷却这些物理方面的变化，全都可以利用搅拌这一操作来获得更好的结果。由于搅拌器传热效率高，使用方便，制造简单尤其是接触面积大等好处，令搅拌器在塑料合成，纤维合成，橡胶合成这三大生产中占到各类反应器总数的80%-95%^[1-2]。在工业发酵中，搅拌作用也有着相同的重要地位，在工业级的发酵中会用到大量的有氧呼吸的微生物，由于氧气在发酵液中的溶解度比较低，为了提高整个发酵过程的效率就必须满足各类微生物的氧气需求。该过程的搅拌操作便是气体和液体的传质和分散。

根据搅拌设备使用的场景和处理的物质来分类，可以初步的分为如下几种：高粘度流质混合、低粘度流质混合、液固传质、液气传质、搅拌传热和固体悬浮等。在不同的使用场景下，对搅拌设备的研究大概可以分为以下几个方向，包括但不局限于流体流动特性、搅拌器功率、搅拌微观过程（如：尾涡现象、微团混合作用等）以及搅拌中的特征（如：临界悬浮系数、传质系数、传热系数等）等。但是对于两相流的问题处理，液固两相搅拌设备——一种最常见的反应器，对该装置的优化和设计一般比较困难，要求对设备内的流体流动特性和液固悬浮特性进行分析比较，目的就是用最少的耗能来取得最优的混合效果。

1.1.2 研究意义

尽管搅拌装置在工业生产中起着不可或缺的作用，但是搅拌作业中的问题并没有得到一定的重视，根据统计得知，国内相关的行业暗含着诸多问题和漏洞，例如搅拌器型号选择错误、桨叶线形单一、桨叶结构与运行参数选择不匹配导致资源不能高效利用，从而引起生产效率低下的问题。比如北京某家化工厂搅拌装置管理不当：对不同物理性质的原材料都使用同一型号的搅拌器，相关配套设施质量不过关，工作车间工艺操作不达标，这些都导致了该工厂收益和规模低下。国内因为相关问题导致的经济损失和资源浪费十分常见。搅拌桨的主要作用就是：通过叶片的转动带动容器内流体运动，因此叶轮形状的选取还有叶片的数量，直径和转速是决定搅拌器内部流场性质的决定性因素。虽然流体的性质，外部环境也对搅拌效果有一定影响但最主要的影响因素还是叶轮。因此，设计研究新型搅拌桨，获得最佳搅拌效果，是近些年有关搅拌相关研究的重点问题。

现如今液固搅拌设备的规格逐渐增大，但是搅拌不匀以及效率低下的问题也越来越明显。当前环境下，对于搅拌设备的优化设计和选型主要依靠实验室的模拟结果，由于在诸多方面的模拟运算中做不到全面分析液固悬浮特征以及容器内流场特性的详细状况，同时对放大作用没有深刻了解，就导致对工业生产难以提出有效的实践指导。与此同时国内大力发展绿色工业，“低碳”一词成为新的指导方向，在工业生产的各个方面，都在寻求低耗能，高效利的途径，因此对搅拌设备的优化设计就成为了当下研究的重点。

工业生产在高效、及时的同时要保证同一批次甚至不同批次的产品质量一致，搅拌装置在其中发有不可替代的用途。在不同情况下，搅拌装置是保证系统安全使用的重要设施，就像混合不好时导致放热反应出现热点甚至发生爆炸（失控反应）。利用三维建模，我们可以设计不同的搅拌装置，还可以进行合理化、低成本实验，以此来优化混合操作，防止产品质量低下，并满足安全需求。

1.2 研究现状

搅拌装置是通过搅拌桨的绕轴运动把机械能转变为容器内物质的动能。目的就是使搅拌器中的流体充分混合，进一步完成传热，传质过程。绝大部分的搅拌装置是非标准的设施，搅拌设备又被叫做搅拌叶轮、搅拌桨等，他是搅拌装置的重要机械部件。在工业生产中搅拌设备的选择极其重要，因此搅拌叶轮的工业设计和新型高效率桨叶的研发就尤为重要。长时间以来搅拌装置的发展从未停止，在各个领域的应用都在逐渐优化完善，在外形上的设计也渐渐变得合理。由于近些年工业发展迅速，对搅拌装置的要求趋向于大型化以及自动化，以及各种新材料的加入对搅拌叶轮提出了种种新的要求，各大公司就是在这种发展背景下大力投入研发资源，研制出了各种新型的搅拌桨和多种效能极高的绿色搅拌叶轮，以此适用日益增长的特殊搅拌需求。

在二十世纪后期，液固混合研究有了长足的进步。当时的研究主要倾向于牛顿（非牛顿）单项体系在不同粘度，微小气囊和固态微粒两者在液态介质中搅拌时所使用的搅拌器功率，叶轮尺寸，转速等宏观的参数这些方面的模拟研究。然而就目前的情况来看，把实验室环境的设备直接用于工业生产是不现实的，只能采用逐级放大的方式来进行大量生产，但是这种做法会把研发周期拉长，同时在资源和人力方面会有更大的需求，相关数据表明，超级大国——美国，单单因为搅拌桨选型不匹配就会引起多达几十亿美金的经济损失^[3]。与此同时，近些年新兴材料和相配套的混合技术不断更新迭代，这对老旧的搅拌技术研究提出了新的要求。显然老技术已经无法满足当前的需求，只能去寻求更高效，低污染的新途径，因此，可不可以做到精准的分析和模拟不同粘度的非牛顿流质、多样的化学变化、繁琐的多相流、单（多）相耦合等等这些问题都是现在迫切需要解决的。把这些问题从根本上解决，搅拌技术的研究才能开启新世界的大门。

在此之前的流体混合研究中，多采用物理观察的方法。比如Reynolds在1883年通过在水平放置的透明玻璃长管中加入上色染剂后观看玻璃管内流质的运动，至此揭开了湍流和层流的面纱。而后经过一百年的反复实验和理论辨析，流体混合技术进入高速发展阶段。到了本世纪五六十年代搅拌器内部流场的宏观分析已经被广泛应用。最近几年，由于化学工业、石油工业的飞速发展，利用了解流质内部流动情况来优化的需求被不断提出来。在3D图形技术、数模技术、激光技术、计算机性能的飞跃等等这些技术的发展带动下，模拟测量技术有了质的飞跃，对流质内部分析便成为了下一阶段研究的重中之重。

本世纪，随着计算机性能的指数增长，使得数值模拟，光学、三维图像处理也飞速发展，这就让以前的问题得到了有效的解决。二十世纪出现的粒子成像测速仪、多普勒测速仪和CFD（计算流体力学）技术的发展让精确模拟流场变为可能。通过这一系列技术，让人们对搅拌器内部的各种物化反应有个更深入的了解，这样不仅降低了风险提高了效率而且让整个生产过程更加优化、更加安全。正是在这种工业发展需要以及科学技术发展支持的背景下，混合搅拌技术进入了新的发展过程。

现如今，混合搅拌技术有开发新型高效率搅拌装置和可以减少搅拌时间并做到准确这两个主要的发展方向。当今混合搅拌领域的热点和侧重点是对高效的新型搅拌装置的研发。国内外有众多知名的搅拌设备生产商。比如法国的Robin、德国的Ekato以及美国的Lightnin和Chemineer等，开发生产的众多型号的新型搅拌器都具有低价，节能的特点。所有这些新型搅拌器的研发都与大量的实验数值模拟息息相关。因为商业保密和专利因素，国内在这些方面缺乏经验，对于核心的搅拌器研发细节仍然是空白。但是在国内众多机构支持下，越来越多的学者投入到该领域的研究，尤其是清华大学、浙江大学、北京化工大学和西北大学等高校，都拥有自主知识产权的新型搅拌器和大量专利，但必须要承认的是与国外的研究成功相比我们还是处于比较落后的位置^[4]。尤其是配套软件的开发还在初级阶段。如何利用CFD软件加速国内数值模拟的步伐，正是眼下国内着重去克服的困难。

截至目前，国内也有大量新型的搅拌器，但是或多或少的有一些缺陷，包含以下几点：

1. 利用滑移网格法时耗时太多，搅拌桨面复杂时难以使用；
2. 虽然不规则四面体网格划分方便，用时短，但是搅拌器非定常湍流利用CFD方法处理不够精细；
3. 对于PIV（粒子图像测速技术）流场模拟局限于常规桨叶，在新型搅拌器文献中很少出现^[5]；
4. 组合式搅拌器的内部流场模拟还没有深入的研究。当前的数值分析还仅限于常规桨叶之间互相组合的简单模式，就是常规桨叶同轴转动，对于多轴多桨叶同时旋转的情况的研究成果还很少。

1.3 搅拌装置与搅拌特性

1.3.1 搅拌装置简介

搅拌装置^[6]一般由搅拌槽（搅拌容器）和搅拌机两部分构成，作用就是加快混合反应的过程，优化混合效果还有均质。而搅拌机则是则是由搅拌轴，搅拌器和传动装置构成。搅拌装置运作时由电动机给搅拌装置提供动力，然后经由变速器的调速，动力通过搅拌轴传递，最终带动搅拌桨运转，以此使搅拌容器内流体跟随旋转运动，最后达到使流质混合均匀的目的。

搅拌装置的用处^[7]:

（1） 强化质传递；

（2） 强化热传导；

（3） 使搅拌容器内的固态微粒可以在液体中做到悬浮且均匀的状态；

（4） 使搅拌容器内两种或多种不互溶的流体之间可以乳化或悬浮均匀。

（5） 令搅拌容器中两种或以上流质均匀混合；

（6） 让搅拌容器内气体物质可以在液体中充分溶解；

搅拌装置的结构组成：

1. 搅拌容器

又称作搅拌槽，根据不同的搅拌需要，搅拌容器的结构也会不尽相同，但一般以圆柱体为主，这主要是因为圆柱体的特殊结构性，在其中的流质会以更加规律的形态去运动，也会使死区（该区域的流质一般不与主搅拌区的流体进行交互，只会在初始位置进行小范围运动）的产生大大降低。

1. 搅拌器

也被称作搅拌桨或者搅拌叶轮，这是搅拌设备中的最核心的部件。不管是对新型搅拌装置的研发设计，还是对搅拌装置的结构优化设计，搅拌器都是极其重要的部分，搅拌器的选型也对实际工业效率有着本质的影响。不同型号，甚至同型号不同尺寸的搅拌器对整个搅拌过程中的流质的传热、传质和运动过程及其他物、化变化都有很大的不同。

1. 搅拌轴

把驱动装置与搅拌器相连的结构便是搅拌轴，它在起到连接结构作用的同时还要将电机的输入动力传递给搅拌器，所以他的强度一定要达标，能承受一定扭力。现在大部分的搅拌轴是在搅拌槽上部中间位置垂直的与搅拌器相连，也有一些搅拌轴选择在侧面与其进行组合，因此要根据实际情况进行选择，在这方面没有严格规定。

1. 挡板

在搅拌槽壁面上有固定不动的与搅拌桨相配合用来产生搅拌增强效果的板，这就是挡板。它的主要作用是消除搅拌容器的死区还有流体的尾涡（打旋）现象，正是由于挡板的存在，是的搅拌容器内的流体有了轴向的运动，这就使搅拌槽内固液混合更加均匀，进而优化了搅拌效果。一般情况需要几个挡板相互配合作用，实验表明，在其它数据不变的情况下，挡板可以高效的增加搅拌效率。

1.3.2 搅拌器分类

（1） 按用途划分

根据搅拌装置用处不同主要可以分为高粘度流质用搅拌器和低粘度流质搅拌器。这其中用于高粘度的又细分为螺带式、螺旋桨式、框式、锯齿圆盘式和锚式等等。而适用低粘度的有开启涡轮式，推进式、圆盘涡轮式、桨式、板框桨式、布鲁马金式和三叶后弯式。

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