不同槳徑的漿式攪拌釜數(shù)值模擬

張瑞　李園藝　王紅　李宣　張景坡

摘 要：漿式攪拌釜結(jié)構(gòu)簡單，廣泛用于工業(yè)和細(xì)胞培養(yǎng)過程中。本文通過CFD對不同槳徑的漿式攪拌釜進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流場的流動(dòng)狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，槳徑為950mm時(shí)，釜內(nèi)速度最高，最高速度為4.97m/s。隨著槳徑的減小，釜內(nèi)最高速度也減小；隨著槳徑的增大，攪拌軸所消耗的功率越大；隨著轉(zhuǎn)速的提高，攪拌軸所消耗的功率越大。

關(guān)鍵詞：槳徑；漿式攪拌釜；CFD；攪拌功率

攪拌釜式生物反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于微生物和細(xì)胞培養(yǎng)以及發(fā)酵過程中[1]。該結(jié)構(gòu)比較簡單，但不同槳葉形式的攪拌釜內(nèi)部流場卻很復(fù)雜。漿式攪拌釜是工業(yè)和生物反應(yīng)器中常用的槳葉形式，但哪種槳徑更符合生物反應(yīng)器的生產(chǎn)要求，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法大都依靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，精度較差[2-3]。因此掌握不同槳徑攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)特性以及功率特性對攪拌釜的工程應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要意義。本文通過CFD數(shù)值模擬對不同槳徑的攪拌釜內(nèi)部流場進(jìn)行分析，不但節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的工作，還可以準(zhǔn)確的得到漿式攪拌釜的攪拌特性。

攪拌效果好，能耗小是攪拌設(shè)備追求的目標(biāo)[4-5]。對攪拌釜而言，攪拌能耗以攪拌功率為指標(biāo)，因此本文通過CFD分別對推進(jìn)式和渦輪式攪拌釜進(jìn)行數(shù)值模擬，對比推進(jìn)式槳葉和渦輪式槳葉在攪拌速度和攪拌功率方面的混合特性。

1 攪拌釜模型與網(wǎng)格劃分

本文針對攪拌釜進(jìn)行分析：槳徑為0.8m，高2m，釜壁設(shè)置4個(gè)擋板，槳徑為650mm、750mm、850mm、950mm。漿間距分別為600mm、700mm、800mm和900mm，底部用橢圓封底。

應(yīng)用前處理器軟件Gambit對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，槳葉相對于釜體來說結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此攪拌釜內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方法，動(dòng)子區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，槽內(nèi)其他區(qū)域應(yīng)用合理的分區(qū)方法采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2 模擬方法

攪拌反應(yīng)器模擬的一大難題是如何處理好運(yùn)動(dòng)區(qū)域（攪拌槳葉和攪拌軸）與靜止區(qū)域（擋板和壁面等）之間的相互作用[6]。本文采用多重參考系法，定義了兩個(gè)不同區(qū)域，其中攪拌區(qū)隨攪拌槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，外部區(qū)域保持靜止。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力-速度耦合采用SEMPLE算法，因?yàn)槟M混合時(shí)間所以選擇非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算殘差設(shè)定為1×10-3。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度矢量分布

攪拌轉(zhuǎn)速都為100r/min的條件下對不同槳徑的漿式攪拌釜釜內(nèi)流體速度進(jìn)行數(shù)值模擬。得知在相同轉(zhuǎn)速下，漿式攪拌釜在攪拌槳葉區(qū)域流體的速度較高，槳徑為950mm時(shí)，釜內(nèi)速度最高，最高速度為4.97m/s。隨著槳徑的減小，釜內(nèi)最高速度也減小。在遠(yuǎn)離槳葉的區(qū)域，四種槳徑的攪拌釜釜內(nèi)流體的速度范圍差異較小，均介于0.12～0.77m/s之間。從速度矢量圖我們可以看出，槳徑為850mm時(shí)的平均速度高于其他槳徑，在增強(qiáng)混合方面效果更好。因此槳徑釜徑比為0.5時(shí)，漿式攪拌釜的混合效果最好。

就漩渦分布而言，在兩層槳葉之間有大湍流形成，主要以軸向流為主，在遠(yuǎn)離攪拌槳葉的區(qū)域有大的軸向漩渦產(chǎn)生，這一點(diǎn)非常有利于上、下層介質(zhì)的交換，有利于提高混合效率。

3.2 攪拌功率

攪拌效果好，能耗小是攪拌設(shè)備追求的目標(biāo)。對攪拌釜而言，攪拌能耗以攪拌功率為指標(biāo)，因此本文通過CFD分別對不同槳徑和不同轉(zhuǎn)速的攪拌釜進(jìn)行數(shù)值模擬。

四種槳徑的攪拌釜轉(zhuǎn)速都為100r/min，槳徑為850mm的攪拌釜在轉(zhuǎn)速為80r/min、90r/min、100r/min、110r/min下的攪拌功率如圖所示。

由圖2可以看出，隨著槳徑的增大，攪拌軸所消耗的功率越大，這是由于槳徑越大，力矩越大，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，所消耗的功率越大。當(dāng)槳徑為950mm時(shí)，所消耗功率為6120w。槳徑為650mm時(shí)，所消耗的功率最小，為3854w。

由圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，攪拌軸所消耗的功率越大。這是由于槳徑一定時(shí)，力矩相同，轉(zhuǎn)速越大，槳葉對流體的作用力越大，所消耗的功率越大。在轉(zhuǎn)速110r/min時(shí)，所消耗功率為7471w，轉(zhuǎn)速為80r/min時(shí)，消耗功率為2874w。

4 結(jié)論

（1）在相同轉(zhuǎn)速下，漿式攪拌釜在攪拌槳葉區(qū)域流體的速度較高，槳徑為950mm時(shí)，釜內(nèi)速度最高，最高速度為4.97m/s。隨著槳徑的減小，釜內(nèi)最高速度也減小

（2）在兩層槳葉之間有大湍流形成，主要以軸向流為主，在遠(yuǎn)離攪拌槳葉的區(qū)域有大的軸向漩渦產(chǎn)生，這一點(diǎn)非常有利于上、下層介質(zhì)的交換，有利于提高混合效率。

（3）隨著槳徑的增大，攪拌軸所消耗的功率越大；隨著轉(zhuǎn)速的提高，攪拌軸所消耗的功率越大。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2] 方鍵，桑芝富，楊全保.側(cè)進(jìn)式攪拌器三維流場的數(shù)值模擬.[J]石油機(jī)械，2009.37[1]30-34

[3] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4] 鄒壽長，李千祥，楊葆生等.大規(guī)模動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)研究進(jìn)展，生命科學(xué)研究，2001，5（2）：102-108

[5] 王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[6] 歐舒 J.Y.著，王英琛等譯.流體混合技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

作者簡介

張瑞（1990-），男，山東德州，山東科技大學(xué)，在讀研究生。主要研究方向：固液分離技術(shù)與裝備。