搅拌槽内双层组合桨安装高度对气液混合特性影响的数模研究

李盼盼

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

搅拌槽有结构简单、操作方便的特点，在医药、化工、食品和废水处理等领域都具有十分普遍的应用。国内外的专家和学者对搅拌槽的研究十分广泛，早期的研究多集中在搅拌槽内部的流场特性，近年来，与搅拌槽相关的研究范围在不断扩大，研究的方向也更加丰富。是否能在搅拌过程中将搅拌槽内的两相或多相介质相混合，形成具有某种均匀程度的混合物，是考量搅拌槽混合性能的重要指标之一。刘海龙[1]等通过PLIF技术实现搅拌槽内流场变化的可视化、可量化，定量计算出偏心搅拌槽的混合效率高于中心搅拌槽，并研究了偏心率对混合效率的影响，得出偏心率在0.4～0.5时混合效率达到最优的结论。金洁[2]等通过PIV试验和POD分析表明在搅拌槽底部形成的高强度旋涡有利于固体颗粒的悬浮，搅拌转子与流体的耦合作用产生的振荡和转速的提升可加强涡流的扩散从而促进混合反应的进程。同样地，李文金[3]等采用了PIV 技术研究搅拌槽内桨叶的组合形式对混合效果的影响，采用控制变量法，对比了3 种框式桨搅拌混合场景下槽内的流型、流速、湍动能，得出新型组合桨可提升混合效果的结论。宋亚娟[4]通过水力设计和数模分析，得到性能最优的推进式桨叶，以提高搅拌器性能和气液混合速率；并基于此结论研究了双层组合桨对混合性能的影响。JAWORSKI[5]等对双层涡轮桨内混合的过程进行了模拟和试验两个方面的研究，得到了两种方法对应的混合时间存在的关系。刘法鑫[6]等对比了上直叶下斜叶和直斜叶交替两种涡轮式组合搅拌器结构和尺寸对搅拌器内流场特性的影响，认为直斜叶交替组合搅拌器的混合效果更好。杨壮[7]采用CFD技术研究了无挡板搅拌槽内互溶液体单相混合过程及影响因素，并对转速、搅拌桨高度等因素对混合效果的影响进行了量化分析。Szymon Woziwodzki[8]着重研究了双层涡轮桨搅拌槽内流动死区的位置、大小以及结构变化规律及影响因素，结果表明：偏心率会对流动死区的形状及大小造成明显影响，适宜的偏心率可有效改善搅拌槽内的轴向流动。在对双层组合桨搅拌槽内气液混合流动的研究中，对于安装有表面曝气装置的搅拌槽的研究则较少，本文将倒伞形表面曝气装置与六直叶涡轮装置组合置于搅拌槽内，研究下层六直叶涡轮的不同安装高度对于混合时间、槽内流场特性和气含率的影响，可为搅拌槽双层组合桨的设计和应用提供依据。

1 物理模型

本文研究的搅拌槽模型如图1（a）所示，该模型采用双层组合桨的形式，用于表面曝气的上层倒伞形转轮装置由实际运用中的倒伞形曝气装置简化而成，下层为六直叶涡轮装置如图1（b）所示。模型的结构和尺寸如图2 所示，其中搅拌槽的高度H=6 m，直径D=5 m；中心转轴直径d=0.3 m；挡板厚度T=0.4 m；上层倒伞形叶片长L1=1.4 m，圆弧部分对应的半径R和高度d1分别为2.65 m和0.4 m，尖角部分对应的高度为d2=0.2 m，d3=0.3 m；下层桨叶片长度L=1.0 m，高度t=0.4 m，其中心距离搅拌槽底部的距离为h即为安装高度。在本文模拟的3种工况中，h对应的值分别为1.67 m、2.08 m和2.50 m。

图1 搅拌槽模型图

图2 模型结构尺寸图

2 数值模拟方法

2.1 计算区域网格划分

与搅拌槽内的其他区域相比，桨叶附近，尤其是表面曝气的倒伞型搅拌装置的不规则桨叶所在区域十分复杂。该区域的介质紊动强烈，因此为了使模拟流场的细微结构更真实地显示，必须使用高质量的网格。通过分块划分的方法实现结构化与非结构化网格有机的结合。在倒伞型桨叶区域，采用空间适应能力较强的四面体非结构化网格；同时对水面和上、下层桨叶所在区域附近的网格进行加密处理。

挡板与转轮的网格图如图3（a）所示，轴截面网格图和横截面网格图分别如图3（b）、图3（c）所示。

图3 网格的划分

2.2 计算方法

对搅拌槽内的气液混合流动的模拟中，将计算区域划分为两部分，即作为旋转参考系的叶片区域和作为静止参考系的挡板区域；对旋转区域和静止区域分别求解方程，控制方程采用速度压力耦合的PISO（Pressure-Implicit with Splitting of Operators）算法，所有残差收敛标准均采用10-4。此外，对搅拌桨叶和壁面处的挡板均做无厚度处理。

2.3 边界条件的设定

在进行数值模拟计算时，叶轮数学模型采用多参考系模型，顶面为压力边界，相对压强为0，在壁面处采用壁面函数。给定初始水深为5 m，即使搅拌槽内高度z≤5 m的区域内全部充满水；给定上、下层桨叶的转速为5.23 rad/s，顺时针转动。计算所采用时间步长为0.005 s，计算总时间为250 s，残差曲线都降至10-4以下时认为计算收敛。

3 数值模拟结果分析

3.1 混合时间的比较

混合时间是表征搅拌反应器内物料混合状况的一个重要参数，是指通过搅拌使得两种完全互溶、但其化学和物理性质（如电导率、颜色、温度、折光率等）有差异的流体达到规定混合程度所需要的时间[9]；习惯上采用95%规则，即当监测点示踪剂的浓度达到最终稳定浓度值的±5%以内并不再超出的时刻即为混合时间。在气液混合过程中，提取六直叶涡轮在安装高度分别为1.67、2.08、2.50 m工况时不同混合时刻对应的倒伞形表面曝气装置处的气含率（见表1）；分析表1可知，在六直叶涡轮安装高度不同的3 种情况下，上层桨叶处的气液充分混合并处于稳定状态的时候对应的气含率值均无限接近于1，即全部充满气体；此时安装高度为1.67、2.08、2.50 m对应的时刻分别为155、150、100 s，根据混合时间的定义和95%规则再结合表1分析可得到3 种不同安装高度对应的混合时间分别为95、90、65 s；显然是安装高度为2.50 m 时所经历的混合时间最短，说明在本文模拟的3种工况下，安装高度越高所需要的混合时间越短。

表1 3种安装高度条件下上层桨叶处（4.3 m≤z≤5.2 m）不同混合时刻的气含率值

3.2 流场特性的比较

3.2.1 流场的分布

由于模拟中的搅拌槽模型具有高度的结构对称性，故取整个流场的一个截面（x=0 的一个轴截面）来表征流场的分布及特性，安装高度分别为1.67、2.08、2.50 m 在其达到混合时间95、90、65 s 时所对应的流场如图4所示。

图4 流场分布图

由图4 可知，不论下层的六直叶涡轮安装在何种高度处，气液两相流充分混合达到稳定状态以后所形成的流场都呈现对称分布的特性，在安装高度为1.67 m 和2.08 m 时，上、下层转轮处均形成左右对称沿径向发展的四涡环流场，各漩涡之间无明显影响且相邻两个漩涡的运动方向相反，在上下层转轮形成的流场之间伴有小涡的形成；与前两个安装高度形成的流场有明显不同的是安装高度为2.50 m时形成的流场如图4（c）所示，在下层桨叶处形成的是两个运动方向相反的大漩涡；此时，双层桨间的两涡环在中间面相遇转向回流。

3.2.2 流速云图的比较

同理，在3 种工况对应的混合时间（95、90、65 s）下，分别在安装高度不同的3 个搅拌槽内取同一轴截面上的速度云图来表征槽内整体流速的分布（见图5），显而易见的是流速关于z轴均是呈对称分布的；通过比较和分析图5可以发现，在相同的转速条件下，随着下层六直叶涡轮安装高度的增加，下层桨叶处流速的变化率减小，并且上层倒伞形表面曝气叶轮处的速度也随之增大，说明此处的混合流动更加剧烈，从该角度可以再次验证3.1 所得的结论（即在该3种工况下，安装高度越高所需要的混合时间越短）；同时可以看到，下层叶轮处水流的运动也伴随安装高度的增加而变得更加剧烈，说明安装高度的增大有利于槽内液体的混合流动和气液两相流在交界面处的混合。

图5 轴截面速度分布云图

3.3 气含率分布的比较

3种安装高度对应的同一轴截面上的气体分布云图见图6。由图6 可知，知气体含量的分布也是关于z轴呈对称分布的；高度为2.50 m时，下层桨叶处气体分布的范围有明显的增大，说明较另两个安装高度而言，该高度下气液混合效果更好；在上、下层桨叶之间的区域，气体沿轴向的变化量随着安装高度的增大而变大；搅拌槽内气体分布存在变化的区域主要集中在3～5 m高度范围内，即气液的混合主要发生在该高度范围内，低于3 m 的区域中气体含量接近为0，在高于5 m 的区域气体含量为1（即全部充满气体）。

图6 轴截面气含率分布云图

为了更好地比较安装高度对槽内气体含量的影响，分别取3 个搅拌槽内轴截面为x=0 上的两条测线y=1和y=2上的气含率在混合时间均为65 s时的分布曲线（见图7）。由图7 可知，在经历相同的混合时间条件下，槽内气体的含量随安装高度的增大而变大，安装高度为1.67 m和2.08 m时气体含量差异不是很明显，高度为2.50 m时槽内气体的含量最大，说明下层桨安装高度为2.50 m时槽内气液两相流达到需要的混合效果时经历的时间最短。同时，从图7（a）可以看出，h=2.50 m 对应的曲线斜率最大，从该角度也可以说明前文中“气体沿轴向的变化量随着安装高度的增大而变大”的结论，即当下层桨叶安装高度为2.50 m 时，上、下层桨叶区域之间气体的变化量是最大的。

图7 不同测线上气含率分布图

5 结论

通过对3 种工况模拟结果的比较分析，可以得到以下结论：

（1）气液混合时间和下层六直叶涡轮的安装高度有关，在合理的高度范围内，混合时间随着安装高度的增大而减小，本文中安装高度为2.50 m时的混合时间最短。

（2）适当增大下层桨的安装高度对气液两相流在槽内和在交界面处的混合有利。

（3）搅拌槽内气体分布的范围随安装高度的增大会而增大并且安装高度的增大会使得气体沿轴向的变化量增大。

（4）在同一混合时间条件下，适当增大下层桨的安装高度可以加快混合过程。但搅拌槽内气液两相的混合流动十分复杂，因此，还需要做进一步的实验研究。