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基于FLUENT的潜水搅拌器搅拌流场分析——摘自知网
1   前言
     潜水搅拌器是一种新型、高效的潜水搅拌和推流装置,主要被用于使介质均化,产生悬浮液流以及保持介质水平流动的一般工农业过程中,如:污水处理中的平衡池、活性池、消毒池;工农业生产中的生物反应、管道煤气脱硫、饮用水处理等等。在上述各种过程中,叶轮的搅拌和推流起到重要的作用,不同类型或参数的叶轮所造成的搅拌和推流效果差别很大。随着计算机技术的发展,CFD技术以其速度快、经济性好以及能提供全流场信息细节的优点在搅拌设备的开发和设计中受到重视。利用FLUENT软件对叶轮直径360mm,转速1430r/min的潜水搅拌器搅拌流场进行CFD分析,旨在揭示其内部流动的规律,为其优化设计提供基础信息。
2   控制方程


3   边界条件
3.1 进口边界条件

3.2出口边界条件


3.3固壁边界条件
     固壁上满足无滑移条件:。流壁面条件采用壁面函数边界条件。在接近固体壁面区,壁面迫使流动产生较大的速度梯度,适应于湍流充分发展的湍流模型在此区域需进行修正。
3.4压力边界条件
     固壁压力取第二类压力边界条件:
4  求解技术
     控制方程使用有限体积法进行的离散,采用二阶迎风格式。控制方程采取分离式求解器隐式方案进行求解,选用SIMPLEC算法。
5  计算结果及分析
5.1 搅拌流场分析
     如图1所示,虽然搅拌流场的三维流速矢量分布比较混乱,但还是可以从立体空间的角度感受其搅拌流场的大致形态。可以看出:液体一方面被高速旋转的叶轮“甩出”,另一方面还受到叶轮的挤压作用,因此在叶轮附近形成高速流动区,速度值较大,并且带有较强的轴向分量。也就是说,利用升力线、升力面理论产生旋向射流,以中心较快速度向外做扩展运动。

      为了更清晰、准确地描述搅拌流场的流动情况,对搅拌流场进行沿轴面和轴截面方向进行剖面分析即截取空间流场的截面来更准确地分析搅拌流场的情况。按轴面方向剖分截面取两个叶片后所得到的速度矢量分布和流线分布,如图2、图3所示。从图中能够比较清楚地看出潜水搅拌器搅拌流场的速度分布情况。


     从图2中可以看出,叶轮出口外侧有一定的旋向射流场,这与潜水搅拌器的搅拌原理是一致的。即,搅拌器叶轮在电机的驱动下旋转搅拌液体产生旋向射流,利用沿着射流表面的剪切应力来进行混合,使流体以外的液体通过摩擦产生搅拌作用,在极度混合的同时,形成体积流,应用大体积流动模式得到受控流体的推流输送。为了更清楚地来描述搅拌流程的速度矢量,对搅拌流场沿推进方向的横截面进行截取,截面位置选取在距离进口边1m的位置,其速度矢量分布,如图4所示。在潜水搅拌器推进方向上的速度矢量是向四周发散的,这与轴面的流动情况一致,即汇聚成体积流后,再利用剪切力的作用使受控体积沿搅拌推进方向运动。从轴截面流线分布图,如图5所示。不难发现该截面上的速度流线是安装空间上类似圆形分布,等速度地向前搅拌推动液体,达到受控体积的流动和输送。


5.2不同安装深度对搅拌流场的影响
     由于潜水搅拌器的安装定位具有很大的灵活性,结合工程实际(江苏某污水处理厂搅拌池),就安装深度(即叶轮外径距离池底0.1m)的两种情况进行计算分析,如图6、图7所示。




     从图6、图7两组对比图中可以看出:流场的基本形态和运动规律大致相同,不同之处在于,接近池底安装的潜水搅拌器在池底面形成高速流动区,对池底进行射流冲刷,这将有助于防止池底固体颗粒沉积,对池中介质进行均质处理。
5.3不同轮毂比对搅拌流场的影响
轮毂直径与叶轮直径之比称为轮毂比,是潜水搅拌器叶轮设计中的重要参数,其大小的选取对潜水搅拌器的水力性能和抗汽蚀性能有着重要影响,故改变潜水搅拌器叶轮的轮毂比,根据经验的设计理论和方法分别取0.2,0.3,0.4,分析其对搅拌流场的影响,如图8、图9所示。






     通过图8、图9两组对比图的分析比较,可以看出:轮毂比小的搅拌器叶轮对搅拌流场的推进速度较大,而且分布也较均匀,总体效果较好。但与此同时,轮毂小的搅拌器在叶轮处的旋涡也较大,这对潜水搅拌器的搅拌效果也有一定的影响。因此,在今后的设计过程中,需适当地选取潜水搅拌器的轮毂直径,这对潜水搅拌器搅拌推流的速度大小和分布都有一定的影响。
6  结束语
      对潜水搅拌器流场的数值模拟结果表明:搅拌器叶轮运行时产生旋向射流,按照类似椭圆形的等速度线向前推进;接近池底安装的潜水搅拌器有助于防止池底固体颗粒沉积,对池中介质进行均质处理;轮毂比小的搅拌器总体的推进速度较大,且分布较均匀。上述研究结果对潜水搅拌器的实际工程应用有一定的指导意义。

 
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