涡轮搅拌釜搅拌工艺数值模拟
目前主要通过实验方法及CFD方法进行流体搅拌混合研究。本案例采用实云流体仿真软件对直叶圆盘涡轮搅拌器中液-液两相的流动混合工艺进行数值模拟分析，并与实验结果进行对比。
图1 直叶圆盘涡轮搅拌器
几何模型
搅拌浆直径 | 10.77mm | 叶片长度 | 11.67mm |
搅拌轴长度 | 91.86mm | 叶片厚度 | 4mm |
搅拌釜直径 | 14mm | 叶片宽度 | 9.33mm |
搅拌釜高度 | 14mm | 圆盘厚度 | 3mm |
挡板宽度 | 4mm | 圆盘直径 | 28mm |
图2 搅拌器几何模型
网格划分及边界条件设置
将创建好的搅拌器几何模型，导入实云流体仿真软件进行网格划分与边界条件设置。为了较快获得仿真结果，本算例将空间网格划分为64块，采用64核进行并行计算，划分好后网格总量为87万，空间网格分布图如下图所示（隐藏了搅拌釜外壳几何）。
图3 网格划分示意图
为提高搅拌器附近的求解精度，采用渐变网格，即靠近叶轮附近网格较密，远离叶轮位置网格渐疏，如图4所示。
图4 网格划分示意图网格俯视图和侧视图
采用k-ε湍流模型及标准壁面函数，非稳态求解器进行计算。
搅拌桨转速为540rpm，采用自适应时间步长，总计算时间为1.996s，总时间步数为12600，64核并行计算，耗时51h。
计算结果分析
搅拌过程中的速度场分析
图5 搅拌过程中速度变化云图
t=0.0s
t=0.1763s
t=0.3961s
t=0.6473s
t=1.2750s
t=1.9960s
图6 搅拌过程中不同时刻的流场分布
图7 混合过程速度矢量图与实验结果对比（垂直平面）
图8 混合过程速度矢量图与实验结果对比（水平面）
进一步对据搅拌釜釜底不同轴向高度上的水平面（位置关系如图9所示）上的径向速度进行定量分析，得到不同轴向高度沿径向的分布速度如图10所示，其中line1、line2、line3分别图9中a、b、c平面的径向速度。
图9 不同轴向高度水平面位置关系
图10 不同轴向高度沿径向的分布速度
图10中line2 为平面b的径向速度分布，在该平面上，桨叶旋转产生的速度不断向外传递，因此远离桨叶速度不断减小；line1、line3分别为圆盘高度下方及圆盘高度上方处流体速度的径向分布，与line2不同的是由于涡流的存在导致最外侧速度略大于内侧。
搅拌过程中的相含率分析
图11 离散相（硅油）分布动图
t=0.0s
t=0.3961s
t=0.6473s
t=0.9613s
t=1.3700s
t=1.9960s
图12 不同时刻离散相（硅油）分布云图
对经过搅拌桨轴的垂直平面上的离散相体积分数在搅拌过程中的发展情况进行监控分析，如图12所示：
搅拌初始时刻，指定连续相体积分数为0.93，离散相体积分数为0.07；
搅拌初期，由于搅拌桨对整个流场的作用范围较小，除了桨叶附近，大部分流场速度较小，因此会出现液-液两相混合不均的情况，具体表现为搅拌器上部靠近壁面处，离散相（硅油）体积分数较高，而在搅拌器底部硅油的体积分数较低；
随着搅拌时间的增加，流场发展逐渐充分，搅拌器带动底部流体向上，顶部流体向下，最终达到一个较为稳定的混合状态；
搅拌稳定后的流场，液-液两相混合效果较好，只在搅拌桨轴附近，硅油含率偏高。
采用实云流体仿真软件对直叶片涡轮搅拌釜内液-液混合流动进行数值模拟，通过流场和组分场分布可以看到：直叶片涡轮搅拌器可以很好得改善两种组分的分布，使其混合的更加均匀。从流场结构来看，圆盘上下部分的流速及流场分布不同，可以通过计算桨叶据搅拌釜釜底部不同位置高度时的混合情况，以获得最佳设计方案。
【参考文献】
[1] Fredrik J. E. Svensson Æ Anders Rasmuson. PIV measurements in a liquid–liquid system at volume__percentages up to 10% dispersed phase. Exp Fluids (2006) 41:917–931
