基于PERA SIM Fluid搅拌器单相流场仿真分析

本文基于PERA SIM Fluid软件对物料在双桨搅拌器内的流动特征进行了单相仿真分析。从导入几何模型开始，到划分多面体/边界层网格、添加材料参数、施加边界条件，设置求解算法，进行收敛性调试，最终得到分析结果。搅拌器单相流场仿真分析可用于快速评估搅拌器设计、选型及工艺参数选取的合理性，为桨叶设计、选型以及搅拌器的内构件设计提供参考。

关键词：搅拌；多参考系；扭矩

搅拌设备大量应用于化工、医药、食品、采矿、造纸、涂料、冶金、废水处理等行业中。搅拌设备在许多场合是作为反应器来用的。例如，在三大合成材料（合成橡胶、合成纤维、合成塑料）的生产中，采用搅拌设备作为反应器的，约占反应器总数的85%以上。但更大量的搅拌设备并不用于化学反应，而仅用于物料的混合、传热、传质以及制备乳液、悬浮液等。

搅拌设备的主要目的：

(1) 使不相溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液，强化传质过程；

(2) 使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应；

(3) 制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或发生液－固化学反应；

(4) 强化传热，防止局部过热或过冷。

上述目的都与搅拌设备内的流场结构有直接的关联。本文基于PERA SIM Fluid仿真分析软件对物料在双桨搅拌器内的流动特征进行了单相仿真分析。从导入几何模型开始，到划分多面体/边界层网格、添加材料参数、施加边界条件，设置求解算法，进行收敛性调试，最终得到分析结果。该结果可用于快速评估当前搅拌器工艺参数设计的合理性，为桨叶设计、选型以及搅拌器的内构件设计提供参考。

模型介绍

本文研究对象为双桨搅拌器，忽略搅拌器工作时顶部的液位波动，顶部假设为平面。

3.1 模型建立及简化

直接导入分析的几何模型（stp或者x_t格式，如图1所示），包含双桨、挡板及转动轴等结构。桨叶区采用圆柱面分割，挡板考虑厚度。

图1  CFD分析的几何模型

3.2 网格划分

本文采用边界层+多面体网格对上述几何模型进行网格划分，即对挡板、桨叶及转动轴几何进行局部面网格控制，对桨叶转动域施加密度盒（体网格）网格控制，此外所有壁面施加3层边界层网格控制。整体网格数量在80万左右，网格模型如图2所示。

图2  搅拌器网格划分

3.3 流体物性定义

采用常温常压的水作为介质，密度为998.2 kg/m^3，动力粘度为0.001 kg/(m·s)。

3.4 边界条件

双桨MRF区域及转动轴：绕Z轴负方向以200RPM转速旋转；

搅拌器顶部：对称边界；

其余壁面：无滑移。

3.5 计算模型及方法

计算中采用Realizable K-Epsilon湍流模型和scalable wall function。使用伪瞬态耦合算法，时间步长设置为0.01s（可依据算例收敛性进行调整），对流项采用二阶迎风离散格式。所有方程的残差收敛标准设置为1e-4，同时通过监控桨叶的扭矩随迭代步数的变化来辅助判定计算的收敛性。

图3  湍流模型、算法及离散格式设置

从扭矩监控图（图4）可以看出，在1200步时，双桨扭矩的计算结果已基本稳定，为18.68N·m。

图4 扭矩随迭代步数的变化

图5给出了搅拌器不同截面上的速度云图和矢量图的分布，从中可以看出流体在搅拌器内的运动特性及速度分布大小：在桨叶旋转作用下，流体从顶部中间区域进入上部搅拌桨区域，沿旋转轴往底部流动，在底部壁面和挡板作用下往搅拌器顶部流动，形成完整的流动循环，有利于物料在搅拌器内的混合。当桨叶/挡板选型或设计不合理时，会形成流动短路或流动死区的现象，不利于物料的混合及反应。因此利用CFD方法可以快速评估及优化搅拌器的设计方案及工艺参数选取。

图5 截面速度云图及矢量图分布

本文利用国产自主仿真软件PERA SIM Fluid对双桨搅拌器内的单相流场进行了快速仿真分析，得到了当前工艺参数下的桨叶扭矩和搅拌器内的流场结构特性，为搅拌器设计（桨叶选型设计/挡板参数设计）及工艺参数优化提供参考。

可以看出，作为一款自主研发的国产流体仿真软件，PERA SIM Fluid在搅拌器单相流场计算过程中，能很好地完成几何模型定义、网格划分、材料定义、边界设置、分析求解和结果查看全过程，仿真流程完善，收敛性好。