1、 三层桨搅拌槽 内 三维流场的数值模拟 逄启寿 ， 邓华军 （江西理工大学，江西赣州 341000） 摘要 ：采用计算流体 动 力学（ CFD）的方法，对 稀土萃取过程中上两层为平直叶 、 底层为涡轮 桨叶的三层组合桨搅拌槽 内 三维流场进行了研究。 利用标准的 k-epsilon 双方程模型对无机相（水）和有机相（ P507）的混合液在搅拌槽中产生的流场进行数值计算，得到这种搅拌桨以恒定转速 300 r/min 在搅拌槽内转动时产生的速度场和压力场 ， 以及 速度 分布云图、速度矢量图以及压力云图 ，为搅拌桨的设计与改进提供理论基础。 关键词 ： 计算 流体力 学 （ CFD） ；搅拌桨；流
2、场 ；数值模拟 中图分类号： TF804.2； TF845 文献标识码： A 文章编号： 1007-7545（ 2012） 06-0000-00 Numerical Simulation of Three-dimensional Flow Fields Generated by Three-layer Blades in a Agitation Tank PANG Qi-shou, DENG Hua-jun (Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China) Abstract: Compu
3、tational fluid dynamics (CFD) method was used to research the three-dimensional flow fields stirred by three-layer blades which consist of two straight blades and a lower turbine blade in an agitated vessel in the process of rare earth extraction. Standard k-epsilon turbulent model was used in the c
4、omputation of flow fields of aqueous phase and organic phase (P507). The velocity and pressure fields in agitation tank generated by the impeller rotating at a constant speed of 300 r/min are obtained. The velocity distribution contours, velocity vector plots and pressure contours are achieved. The
5、above research can provide a theoretical basis for the design and improvement of impellers. Key words: computational fluid dynamics (CFD); impeller; flow field; numerical simulation 在稀土萃取过程中，混合澄清器 （搅拌槽） 是应用最广泛的 设备，一般是用 PVC 板焊接而成的箱式结构。混合澄清器由混合室和澄清室组成，一个混合室和一个澄清室构成一个混合澄清单元，即混合澄清器的一级 1。在稀土萃取过程中，最常用的是机械
6、搅拌，即利用叶轮（搅拌器）旋转搅动液体实现搅拌混合。 国内外许多学者利用计算流体动力学（ CFD）的方法对稀土萃取搅拌混合过程进行数值模拟，研究了 搅拌槽 速度场和压力场的分布与变化 2-6。 本文 在前人研究的基础上， 采 用 CFD 的方法 对混合室的三维流场进行了数值模拟，研究结果对于搅拌桨的设计 和实际应用具有重要的参考价值。 1 搅拌桨与搅拌槽的 几何模型 以工程实际应用为基础， 利用四川西昌江铜稀土某萃取车间的一种萃取混合澄清器和赣州有色冶金研究所设计的 三层桨叶结构 的 搅拌桨 （ 图 1） ， 各层桨叶跨距均为 60 cm，底层桨叶距混合室 底部 30 cm，上两层平直桨叶长
7、140 mm、 高 60 mm、 厚度 6 mm， 上两层圆盘直径 72 mm，底层圆盘直径 140 mm，搅拌轴直径 30 mm，搅拌桨 以 恒定转速 300 r/min 旋转。搅拌槽为图 2 所示的箱式结构 4， 混合室 的 有效容积为 100 L，边长 450 mm,总 高度 590 mm，有效液面高度 525 mm，无挡板。 图 1 搅拌桨模型图 Fig.1 Model of stirring paddle 收稿日期 ： 2011-12-15 作者简介 ： 逄启寿（ 1963-），男，山东潍坊 人 ，教授 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2012.07.
8、011 图 2 混合室和前室 Fig.2 The mixing chamber and antechamber 2 两相流混合液的物理特性 本次模拟以无机相（水）和有机相（ P507）的混合液为工作介质 。 室温下 P507 的物性 参数 2-4： 密度 945 kg/m3，黏 度 0.036 Pa s， 热导 率 0.12 W /(m K)，比热容 1 200 J/(kg K)； 水 的物性 参数 ： 密度 998 kg/m3， 黏 度 0.001 Pa s， 热导率 0.60 W /(m K)，比热容 4 182 J/(kg K)。 3 数值模拟的方法 3.1网格的划分 和边界条件的设置
9、首先运用 Fluent 的前处理软件 Gambit 建立几何模型， 然后对模型进行网格划分 。 本次模拟采用非结构化网格技术对模型进行网格划分，对桨叶区及其附近旋转流动区域的网格加密，以增加计算精度，整个模型的网格数为 159 005 个，节点数为 31 687 个，整个计算 区域的网格 如图 3 所示 。本文采用多重参考系法（ MRF） ，搅拌桨 的 桨叶区及其附近旋转流动区为旋转运动区，即设为 Moving Reference Frame；混合室其它区域为静止流体区域，即设为 Stationary。箱体的四 周 和底面为 WALL；搅拌桨叶以及搅拌轴的外表面为 WALL；内部旋转网格与外部
10、网格交界面为 INTERFACE；液面为 SYMMETRY；底端为进口，设置为 VELOCITY_INLET。 图 3 网格划分 图 Fig.3 Grid division 3.2利用 Fluent求解器求解 本次模拟求解器采用压力基求解器 ，湍流模型选用标准的 k 双方程湍流模型 5-6，初始化后开始迭代计算，迭代 1 000 次，得到残差动态图 7，如图 4 所示。 图 4 迭代 1 000 步时的残差图 Fig.4 Residual chart of 1 000 steps iteration 3.3 计算结果 及 分析 3.3.1 压力场 利用 Fluent 提供的图形工具可以很方便
11、地 得到压力云图 ，图 5 为搅拌桨外表面的静压力分布云图，由图 5可看出搅拌桨叶边缘的 压力 明显 大于搅拌轴附近的压力 。 图 5 搅拌桨外表面的静压力分布云图 Fig.5 Static pressure contours on the outside surface of stirring paddle 图 6a 为 x=0 平面 （ 即搅拌桨中间最大纵截面 ） 的压力分布云图 。 图 6b为 z=0 平面 （ 即搅拌桨底平面 ） 的压力分布云图。比较图 6a 和图 6b 可知，底端进口处的压力最小且为负值，远小于搅拌槽内其它区域的压力，这样有利于料液从进口抽送进混合室，随着 搅拌器的转
12、动，料液在搅拌槽内形成了径向流，使料液充分混合，正 好 符合实际生产的需要。 图 6 x=0 平面 (a)和 z=0 平面 (b)的压力分布云图 Fig.6 Static pressure contours on the plane of x=0 (a) and z=0 (b) 3.3.2速度场 图 7 为 搅拌 桨外表面的速度分布云图 和 速度矢量图 。 图 7 搅拌桨 外表面 的速度分布云图 (a)和 速度矢量图 (b) Fig.7 Velocity distribution contours (a) and velocity vector plots (b) on the outside
13、 surface of stirring paddle 由图 7a 可看出，搅拌桨附近的速度以搅拌轴为中心，沿桨叶边缘逐渐增大，在桨叶边缘处达到最大，并且以搅拌轴为中心，同一桨叶两侧的速度大小近似对称分布 。 由图 7b 可清晰 地 观察 到 速度的矢量方向，可知槽内料液在搅拌桨的搅拌作用下形成切向流 。 图 8 为 z=0 平面 （ 即搅拌桨底平面 ） 的速度矢量图 。 图 8 z=0 平面的速度矢量图 Fig.8 Velocity vector plots on the plane of z=0 由图 8 可知，在水平截面上，离 搅拌 桨叶最近处速度最大，在方形槽的四周速度最小，该区域内的
14、料液混合最不充分 。 图 9 为 y=0 平面 （ 即搅拌桨中间最大纵截面 ） 上的速度分布云图 和 速度分布矢量图 。 图 9 y=0 平面的速度分布云图 (a)和 矢量图 (b) Fig.9 Velocity distribution contours (a) and velocity vector plots (b) on the plane of y=0 由图 9 可知，离搅拌桨叶近的 区域速度较大，靠近方形槽壁的区域速度很小，以搅拌轴为中心，两侧的速度场近似对称分布，这是由搅拌桨的对称性和转速的恒定性引起的。 4 结论 1） 采用计算 流体动力学 （ CFD）的方法对稀土萃取搅拌槽内
15、的混合过程进行了数值模拟，运用 Fluent 软件计算了槽内的压力场和速度场， 得到了槽内的 速度分布云图、速度矢量图以及压力云图 。 2） 搅拌槽内的压力由槽中心向四周逐渐增大，在槽壁附近达到最大， 底端进口处的压力最小且为负值 ，远小于搅拌槽内其它区域的压力， 有利于料液从进口抽送进混合室 。 3）三层直叶 涡轮 搅拌桨主要产生径向流， 径向流具有强大的剪切和破碎效果，有利于料液的混合。在搅拌桨叶边缘附近的径向流速度最高，在靠近槽壁附近区域径向流速度很小，该区域的料液混合不充分。 参考文献 1 唐谟堂 ， 曹刿 . 湿法冶金 设备 M. 长沙 ：中南大学出版社 ， 2004： 192-19
16、4. 2 曾令辉 . 稀土萃取搅拌反应器结构参数的研究与优化 D. 江西 赣州 ： 江西理工大学， 2008. 3 满长才 . 基于 Fluent 软件对稀土萃取搅拌槽三维流场的数值模拟 D. 江西 赣州： 江西理工大学 ， 2011. 4 逄启寿，谢明春 . 萃取混合澄清槽混合过程的数值模拟 J. 有色金属（冶炼部分）， 2012(6)： xx-xx. 5 侯拴弟 ， 张政 ， 王英深 . 涡轮桨搅拌槽流动场数值模拟 J. 化工学报 ， 2001， 52(3)： 241-245. 6 周国忠 ， 王英深 ， 施力田 . 搅拌槽内三维流动场的 RNG k-e 数值模拟 J. 北京 ： 北京化工大学学报 ， 2002，29(2)： 15-19. 7 于勇 ， 张俊明 ， 姜连田 . Fluent 入门与进阶教程 M. 北京 ： 北京理工大学出版社 ， 2008.
