摘要：本文基於計算流體力學方法研究平底形封頭、橢圓封頭和球形封頭三種型式對攪拌釜內流動狀態的影響。研究結果表明：球形封頭會對槳葉下部的迴圈流態形成破壞，而橢球形封頭與採用平底形流動狀態近似。採用橢圓形封頭比採用平底形封頭時攪拌釜下部中心處的軸向速度有所增大，採用球形封頭比採用平底形封頭時軸向速度明顯降低。
關鍵詞： 封頭 攪拌釜 流動狀態 計算流體力學
攪拌釜作為生物、化工等領域常用的一種反應器，其內部的攪拌裝置可對物料進行充分混合，有利於改善傳質和傳熱效果。攪拌釜內的流動狀態複雜，難以透過簡單的理論分析對其效能進行預測。近年來，計算流體力學方法越來越多地被用於攪拌釜的研究和設計。徐勝利等[1]利用CFD技術對攪拌釜內的混合效果進行研究，進而優化了攪拌釜的結構引數；潘傳九等[2]運用計算流體力學軟體Fluent研究了葉片數、擋板和轉速對攪拌釜內流動狀態的影響；董紅星等[3]採用CFD方法對攪拌釜內的流動狀態及液體停留時間分佈進行了研究。
在實際工業應用中，受現場條件及其它因素的影響，選用的封頭型式往往有所不同，確定封頭型式對攪拌釜內流動狀態的影響對於合理選擇封頭具有重要意義。本文基於計算流體力學方法研究平底形封頭、橢圓封頭和球形封頭三種型式對攪拌釜內流動狀態的影響。
1、模擬方法
分別建立圖1所示的三種攪拌釜三維模型並進行網格劃分，封頭型式分別為平底形、橢圓形以及球形。攪拌釜高1.0m，料液深度設為0.77m，筒體直徑為0.8m，槳葉直徑設為0.3m，安裝高度0.3m，為了改善混合效果，在攪拌釜壁面處均布6塊擋板，擋板寬度為80mm。基於攪拌釜結構的複雜性，採用非結構化網格，三種結構的網格總數分別為457887、452363和427974。
圖1 攪拌釜三維模型
採用多重參考系法（MRF）對槳葉轉動區域模擬，進行網格劃分時將整個攪拌釜分為兩個流動區域，中心靠近攪拌槳的流域設定為轉動區域，轉速200r/min。攪拌槳壁面處的速度依據周圍流體流速確定，中心攪拌槳軸壁面設定為轉動，速度與轉動區域相同，其它壁面設定為無滑移壁面。為了避免分散相對流動狀態的影響，本研究僅對液相的流動進行模擬。採用standardk-ε湍流模型描述湍流特徵，該模型分別求解湍動能和耗散率的輸運方程，進而在動量方程中附加湍流黏度，以描述湍流對流動狀態的影響。另外需考慮重力的影響，重力加速度取9.8m/s2。
2、結果與討論
2.1 封頭型式對流動狀態的影響
封頭型式對攪拌釜中心截面流動狀態的影響如圖2所示。採用平底形封頭時，液體在槳葉的作用下首先流向壁面，而後沿壁面分別垂直向上流動和垂直向下流動，最後在攪拌槳的上部和下部分別構成渦旋。定性來看，採用橢圓形封頭時呈現相同的流動狀態，其重要優勢在於避免了底部壁面處的流動死區的存在。當採用球形封頭時，攪拌釜底部的渦旋消失，同時上部渦的範圍擴大至攪拌槳以下，該流動狀態不利於攪拌釜底部物料的混合。
圖2封頭型式對中心截面速度的影響
2.2 封頭型式對軸向速度的影響
軸向速度的大小直接影響攪拌釜內不同高度位置處的物料的混合效果，本文分別採用150mm和650mm高度上的軸向速度描述攪拌釜內槳葉上部和下部的流動狀態。圖3所示為150mm高度上不同徑向位置處的軸向速度，速度為正值代表軸向速度向上，反之向下。由圖3可以看出，r/R大於0.3時，採用平底形封頭和橢圓形封頭時的軸向速度分佈基本相同，均先減小後增大。r/R小於0.3時，採用橢圓形封頭時的軸向速度高於平底形封頭，也就是說，採用橢圓形封頭時，攪拌釜下部中心處的軸向速度更大，對於有固體顆粒存在的反應體系，更高的軸向速度意味著更好的混合效果。採用球形封頭時，軸向速度向下流動的範圍顯著增大，且中心向上流動、邊壁向下的流動的軸向速度均減小。
如圖4所示為650mm高度上不同徑向位置處的軸向速度。可以看出，採用平底形和橢圓形封頭時，軸向速度相同，中心垂直向下，邊壁附近垂直向上流動。採用球形封頭時，軸向速度發生顯著改變，上行流和下行流的速度值均顯著降低。
圖4封頭型式對650mm高度處軸向速度的影響
3、結論
採用計算流體力學方法研究了封頭型式對攪拌釜內流動狀態的影響，結果表明：（1）採用平底形封頭和橢圓形封頭時，攪拌釜內槳葉上部和下部均存在迴圈流，採用球形封頭時，僅槳葉上部形成迴圈流；（2）採用平底形和橢圓形封頭，攪拌釜內的軸向速度分佈基本相同，僅中心處略有差異，採用球形封頭，軸向速度降低。
