張瑞 李宣 周振 張景坡 劉星
摘 要:渦輪式攪拌釜結(jié)構(gòu)簡單,廣泛用于微生物與細(xì)胞培養(yǎng)過程中。本文通過CFD對(duì)渦輪式攪拌釜進(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,在轉(zhuǎn)速為100r/min條件下,渦輪式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為3.1m/s,釜內(nèi)流場為徑向流,產(chǎn)生大渦流有利于軸向混合,小渦流主要以徑向流為主;
關(guān)鍵詞:渦輪式;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。徑流型攪拌器具有極強(qiáng)的徑向排量及分散能力等優(yōu)點(diǎn)。渦輪式槳葉是攪拌釜式生物反應(yīng)器中常用的槳葉形式,但哪種槳葉形式更符合生物反應(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]。因此掌握不同攪拌攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)特性以及功率特性對(duì)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(duì)渦輪式攪拌釜內(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)確的得到推進(jìn)式和渦輪式攪拌釜各自的攪拌特性。
攪拌效果好,能耗小是攪拌設(shè)備追求的目標(biāo)[4-5]。對(duì)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(duì)推進(jìn)式和渦輪式攪拌釜進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比推進(jìn)式槳葉和渦輪式槳葉在能耗和剪切力方面的混合特性,從而分析槳葉所適用的范圍。
1 攪拌釜模型與模擬方法
本文針對(duì)渦輪式攪拌釜進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)如圖1所示。釜體結(jié)構(gòu)相同,釜徑為2.8m,高4.5m,槳徑為1.2m,釜壁設(shè)置6個(gè)擋板,底部用圓盤封底。
應(yīng)用前處理器軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,槳葉相對(duì)于釜體來說結(jié)構(gòu)相對(duì)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 模擬結(jié)果與分析
2.1 速度矢量分布和漩渦分布
攪拌轉(zhuǎn)速都為100r/min的條件下對(duì)渦輪式攪拌釜釜內(nèi)流體速度進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖2所示。
由圖3可知,在相同轉(zhuǎn)速下,渦輪式攪拌釜在攪拌槳葉區(qū)域流體的速度較高,最高速度為3.1m/s;在遠(yuǎn)離槳葉的區(qū)域,渦輪式攪拌釜釜內(nèi)流體的速度范圍差異較小。就漩渦分布而言,如圖(a)所示,對(duì)于渦輪式攪拌釜,徑向渦流較多,在兩層槳葉之間有大湍流形成,在上層攪拌槳葉的上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產(chǎn)生,大渦流有利于軸向混合,小渦流主要以徑向流為主。
2.2 攪拌功率
對(duì)渦流式攪拌釜進(jìn)行攪拌功率的模擬,模型相同的情況下,攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min、110r/min、120r/min、130r/min時(shí),攪拌功率如圖3所示。
隨著轉(zhuǎn)速的額提高,渦流式攪拌釜的攪拌功率也增大,這是由于槳徑一定的情況下,轉(zhuǎn)速越高,力矩越大,攪拌功率越越大。在轉(zhuǎn)速140r/min時(shí),攪拌功率為8524w。在轉(zhuǎn)速100r/min時(shí),攪拌功率為3975w。
3 結(jié)論
(1)渦輪式攪拌釜槳葉區(qū)域流體的最高速度為3.1m/s,對(duì)于渦輪式攪拌釜,徑向渦流較多,在兩層槳葉之間有大湍流形成,在上層攪拌槳葉的上端和下層攪拌槳葉下端有小渦流產(chǎn)生,大渦流有利于軸向混合,小渦流主要以徑向流為主。
(2)隨著轉(zhuǎn)速的額提高,渦流式攪拌釜的攪拌功率也增大在轉(zhuǎn)速140r/min時(shí),攪拌功率為8524w。在轉(zhuǎn)速100r/min時(shí),攪拌功率為3975w。
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