（国核电力规划设计研究院 北京 100095）
摘要：为了研究挡板、搅拌浆叶片外形及叶片数3个因素对搅拌釜内流场及液面流体速度的影响，运用FLUENT软件中的多重参考系法处理搅拌区域，从挡板、搅拌浆叶片外形及叶片数3个方面对搅拌釜内流场进行了数值模拟。结果表明，同等条件下，叶片数及叶片外形对釜内流场分布影响不大，但可以增加液面流体运动速度；有挡板时釜内流场发展更加充分，呈“双循环”流动，但液面速度分布相对不规律。该结论对研究搅拌釜内乙醇胺吸收CO2的表面吸收速率有一定帮助。
关键词：搅拌釜；多重参考系；数值模拟；CO2吸收
Abstract:In order to study the influence of stirred tank baffle, the shape and the number of leaves to the flow field of the stirred tank, the stirred tank flow field was simulated using the software FLUENT under the three factors. During the simulation the Multi-Reference Frame was used to cope with the mixing paddle area. The results shows that under the same circumstances the number of the leaves has little influence to the flow field but the speed of the summery is higher; the flow field in stirred tank with baffles is more sufficient than the flow field without baffles and the former forms double flow in the entire flow field, but the summery is no longer regular. The result is a reference for the study of the absorption of CO2 using MEA.
key words: stirred tank; Multi-Reference Frame; numerical simulation; Absorption of CO2
1.前言
搅拌反应广泛应用于各个工业行业中，反应过程涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多个过程[1]。为分析以上过程，了解搅拌过程中搅拌釜内流场分布情况是十分重要的。但搅拌釜内的流场是非稳态而且高度复杂的，理论分析难度大，因此实际上主要采用实验和数值模拟的方法进行研究[2]。目前，常用的实验测试设备包括激光多普勒测速仪（LDV）和粒子图像测速（PIV），但其价格较昂贵，要求被测量设备透明，被测量流体透光性好[3]，且能够测量的流场区域有限，对于加压或流体透光性较差的反应，其可操作性不大。因此，采用数值模拟方法研究反应釜内流场显得尤为重要。
从数值模拟的观点来说，模拟搅拌釜所面临的问题是由于搅拌桨的转动，从而使由反应釜壁、挡板、搅拌桨和搅拌轴等围出的流动域是随时间变化的[4]。在研究搅拌釜内乙醇胺吸收CO2时，表面吸收速率是许多学者一直关心的问题。本文主要通过研究不同条件下搅拌釜内流场及气液交界面处流体速度分布，为选择最佳反应条件做基础。
2.模型描述
2.1.搅拌釜结构参数
影响搅拌釜内流场因素包括有无挡板、搅拌速度、搅拌浆特征（外形、叶片数、放置高度）等。本文重点考虑挡板、搅拌浆叶片外形及叶片数目3个因素。搅拌釜结构见图1，由于椭圆底相对反应釜较小，可忽略不计；内径D=150 mm，装液高度H=180 mm（总容积为1L），搅拌浆距釜底高度h=90 mm；图1（b）平均分布4块挡板，挡板宽T=15 mm（T=1/10D），厚2 mm，高度与液面高度相同。搅拌浆结构及实体如图2，改进前搅拌桨a=90 mm，b=15 mm，厚度为3 mm；改进后搅拌桨c=15 mm，e=60 mm，轴半径r=2.5 mm。
2.2.网格划分
使用软件GIMBIT（Version 2.4.6, Fluent Inc.，USA）建立三维实体模型，采用四面体和六面体混合网格，运动子域的网格比静止子域的网格划分密集。为简化建模及网格划分，忽略搅拌桨轴。以4叶片搅拌桨为例，搅拌釜内无挡板时网格数为155224，搅拌釜内设置挡板时网格数为117574。
3.模拟结果分析
3.1.不同搅拌浆及有无挡板对流场的影响
无挡板时，沿搅拌釜径向存在速度梯度，且搅拌桨周围无明显涡流，整个流场未出现规律的循环流动。增加搅拌桨叶片数及改进叶片外形均增强了流场径向速度梯度。
布置挡板时，与无挡板工况相比较，可明显看到搅拌桨周围出现涡流，整个流场出现规律的“双循环”流动，且循环程度随搅拌桨叶片数增加及叶片外形改进增强。流场径向不存在速度梯度，流场发展的更加充分。无挡板时流体沿切向流动，有挡板时流体沿轴向流动，该结果与文献描述一致[7]。
3.2.不同搅拌浆及有无挡板对液面流速的影响
无挡板时，液面速度呈环形分布，随距中心距离增大，速度呈先增大后减小的趋势，在液面中心及最外侧出现速度“死区”。叶片数由2增加到4可减小液面速度“死区”面积，且主体速度增大31.2%。改进叶片外形能明显增大液面速度梯度，这一结论前面的分析相一致。
布置挡板时，液面流场分布随叶片数不同而变化，液面被分为n个子域（n=叶片数），区域交界处存在速度“死区”，液面平均速度要低于无挡板情况。此外，液面分布随搅拌桨叶片数变化也证明了有挡板时流体沿轴向运动这一结果。
3.3.不同搅拌浆及有无挡板对溶液表面吸收CO2效果的影响
溶液表面吸收CO2效果与搅拌釜流场流动形式及液面流速分布有一定关系。搅拌釜内流体轴向流动性越好，液面流速分布越均匀，则溶液表面吸收CO2效果稳定时间越长，且可以更加准确的表征吸收速率；相反，若搅拌釜内轴向循环流动性不强，则当液面处溶液反应完毕后，搅拌釜内部溶液不能及时补给，液面吸收效果不稳定。综合比较发现有挡板时搅拌釜流场内部轴向循环性较好；叶片数增加可提高液面速度，减小速度“死区”面积，有利于稳定表面吸收效果。叶片改进后虽然在一定程度上增强了流场混合度，但液面速度梯度增大，不利于液面吸收速率的计算。
4.结论
（1）无挡板时流体沿切向运动，流场沿径向存在速度梯度，液面速度呈环形分布；有挡板时流体沿轴向运动，流场出现“双循环”流动，流场发展更加充分，但液面速度分布相对不规律，平均速度减小。
（2）增加叶片数也可以增大液面主体流体速度，但对改善流场效果不明显；改进搅拌桨后，可以明显增大液面流体速度梯度。
（3）有挡板时搅拌釜流场内部轴向循环性较好；叶片数增加可提高液面速度，减小速度“死区”面积，有利于稳定表面吸收效果。叶片改进后虽然在一定程度上增强了流场混合度，但液面速度梯度增大，不利于液面吸收速率的计算。
参考文献：
[1]潘传九[葛文娜，陆晓峰]. 基于CFD的搅拌釜流场数值模拟及预测[J]. 化工进展，2012，31（2）：87-91.
[2]杨锋苓[周慎杰]. 搅拌槽内单相湍流流场数值模拟研究进展[J]. 化工进展，2011，30（6）：1158-1169.
[3] Aubin J [Fletcher D F, Xuereb C]. Modeling turbulent flow in stirred tanks with CFD: The influence of the modeling approach, turbulence model and numerical scheme [J]. Exp. Therm. Fluid Sci.，2004，28（5）：431-445.
[4]周国忠[施力田，王英]. 搅拌反应器内计算流体力学模拟技术[J]. 化学工程，2004，32（3）：28-32.
[5]朱红钧，林元华，谢龙汉. FLUENT流体分析及仿真实用教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2010，224-225.
[6] Brucato A [Ciofalo M, Grisafi F][, et al]. Complete numerical simulation of flow fields in baffled stirred vessels: The inner-outer approach [A]. 8th Euro Conf On Mixing [C]. Cam-bridge, 1994. 155-162.
[7]郝惠娣[孙吉兴，高勇][，张永芳]．径向流涡轮桨搅拌槽内流动场的数值模拟[J]．化工进展，2009，28（增刊）：473-477
论文作者:窦锦玲
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/17
标签：挡板论文; 叶片论文; 速度论文; 液面论文; 流体论文; 梯度论文; 数值论文; 《电力设备》2017年第8期论文;