气液搅拌反应器内气含率的模拟研究+文献综述(6)
4．2 搅拌槽结构
槽体为圆柱形椭圆底搅拌槽，均布4块挡板，如图4-1所示，搅拌桨用三层组合桨，底桨为半椭圆管盘式涡轮径向流桨(HEDT，图4-2左)，中、上层桨为四宽叶翼形上提轴流桨(WHU，图4-2右)，通气装置为环形分布器，其上分布直径为2mm的27个小孔，开孔向下。搅拌槽内各结构参数如表4-1所示。
表4-1 搅拌槽结构参数
T(m) d/T D1/T D2/T D3/T CS/T C1/T C2/T C3/T WS/T
0.28 0.32 0.4 0.4 0.4 0.33 0.4 0.88 1.36 0.1
图4-1 搅拌槽结构图图4-2 HEDT和WHU
4．3 网格划分
选用商业CFD软件FLUENT的前处理GAMBIT软件进行建体划分网格。由于其本身结构是不规则的，所以对该部分的网格划分采用非结构化网格，同时要注意将桨叶处和气体分布器的小孔处进行局部加密，因为桨叶的网格对于功率准数和通气搅拌功率的模拟有很重要的作用，小孔处的气体流动比较剧烈，直接影响到搅拌槽中的气液流动特性和气含率的分布；对于其他区域采用结构化的网格，网格尺寸可以适当的放大。网格节点数为264595个，网络单元数为527933个，各部分网格划分如示意图4-3所示。
图4-3 各部分网格示意图
4．4 计算物系和模拟工况
研究物系为水-空气，改变通气量。在搅拌转速为260r/min下，气体入口速度分别为0.0005m/s，0.001m/s，0.0015m/s。空气的密度ρ=1.225 kg/m3,μ=1.7895e-5 kg/（m*s),水的密度ρ=998.2kg/m3,μ=0.001003 kg/(m*s)。
4．5 计算策略
由于搅拌槽和搅拌桨结构复杂，再加上气液两相的流动比较复杂，直接模拟计算两相流动收敛的不理想，所以，我们将模拟计算分成了两部分：(1)在不通气的情况下，先计算两相流流场，直到流场计算充分；(2)在充分流场的基础上，再逐一通气，先通较小气量，直到收敛，再逐渐加大气量，直到达到需要的气量
5 模拟结果与分析
5．1 气液搅拌槽内流场的模拟
图5-1给出了搅拌槽全槽内液相的速度矢量图和低桨所在平面及中层桨所在平面的液相速度矢量图，考察模拟工况v=0.0005m/s，（a）可以看出全槽流场分成4个循环区；由（a）（b）液体被底桨径向甩出，搅拌槽下部区域的流体形成了上下2 个循环流动，可以看出底桨的作用为径向流作用；由（a）（c）中层桨周围的液体形成了一个大的循环流动，而且速度向上，可以看出中层桨对液体的轴向、上提作用。这与文献相一致。在靠近液面附近存在一个较弱的二次循环流，这是上升的气体造成的。
图5-1 搅拌槽内液相速度矢量图和底桨所在平面及中层桨所在平面的液相速度矢量图
5．2 功率准数和通气搅拌功率
功率准数 （5-1）
式中N为搅拌转速，D为搅拌桨直径，p为功率。
通气搅拌功率是在通气操作时实际消耗的搅拌功率，该参数对于气-液分散和传质是非常重要的。图5-2为通气功率和功率准数模拟结果。结果显示通气准数和通气搅拌功率均随通气流量的增大而减小。且随着通气流量增大，通气搅拌功率下降速率加快。
图5-2 通气功率和功率准数模拟结果