【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 法。 研究目的利用CFD對(duì)攪拌槽內(nèi)單相流場(chǎng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析不同槳葉高度對(duì)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)和攪拌功率的影響規(guī)律，為攪拌槽的工業(yè)應(yīng)用提出建議。 研究?jī)?nèi)容針對(duì)本論文的研究目的，主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）當(dāng)6DT槳時(shí)，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性和功率消耗。（2）當(dāng)6PDTU槳時(shí)，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性和功率消耗。（3）當(dāng)6PDTD槳時(shí)，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性和功率消耗。 研究方法本研究應(yīng)用Ansys Workbench平臺(tái)，利用流體分析軟件CFD實(shí)現(xiàn)槳葉高度對(duì)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)影響的數(shù)值模擬。 計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Fluids Dynamics）是以經(jīng)典流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳遞等物理現(xiàn)象進(jìn)行分析的一種研究方法。起初，CFD被認(rèn)為只適合高科技領(lǐng)域，而且只有通過專業(yè)訓(xùn)練的人員才能掌握使用。近幾十年以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD軟件的進(jìn)一步開發(fā)，簡(jiǎn)單的操作平臺(tái)和友好的用戶界面使得CFD的應(yīng)用更加普及，其應(yīng)用已遍及航空、水力、電力、化工、冶金、生化工程等諸多領(lǐng)域。CFD軟件是在三大守恒方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程)的控制下對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，具有適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣的特點(diǎn)。所有涉及流體流動(dòng)、熱交換、化學(xué)反應(yīng)等問題，基本都可以通過此軟件進(jìn)行分析。CFD也存在局限性，其結(jié)果往往有一定的誤差。同時(shí)，CFD涉及大量的數(shù)值計(jì)算，需要較高的計(jì)算機(jī)軟硬件配置[11]。 CFD軟件結(jié)構(gòu)CFD 軟件的目的是解決流體流動(dòng)問題。所有商業(yè)CFD軟件都提供了用戶界面來輸入?yún)?shù)和檢查計(jì)算結(jié)果，其由三部分組成：前處理器，解算器，后處理器。前處理器就是為解算器定義待解決問題的各項(xiàng)參數(shù)。前處理過程需要做的工作有：定義計(jì)算域；對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；定義待解問題的類型和選擇適用于待解問題的模型；定義流體的屬性；確定邊界條件。解算器的任務(wù)就是對(duì)一系列的方程組進(jìn)行求解。后處理器用于對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行查看、處理和輸出。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，CFD軟件中的可視化功能越來越強(qiáng)大。它包括：計(jì)算域和網(wǎng)格的顯示；矢量圖、云圖的呈現(xiàn)；動(dòng)畫播放；圖形的旋轉(zhuǎn)、平移、放大等。 CFD模擬技術(shù)在攪拌槽中，存在著運(yùn)動(dòng)的攪拌槳、攪拌軸和靜止的擋板、槽壁，其所圍出的流動(dòng)域的形狀是隨時(shí)間變化的。解決運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用的方法主要有：“黑箱”模型法、動(dòng)量源法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法和滑移網(wǎng)格法。（1）“黑箱”模型法“黑箱”模型法在計(jì)算時(shí)將槳葉區(qū)從計(jì)算域中扣除，槳葉所產(chǎn)生的作用以某種表面的邊界條件的形式來代替，邊界條件的數(shù)據(jù)一般由實(shí)驗(yàn)得到。由于不需要考慮槳葉區(qū)網(wǎng)格，處理簡(jiǎn)單。但邊界條件數(shù)據(jù)的獲得需要通過實(shí)驗(yàn)來確定，而且一套槳葉區(qū)邊界條件只能用于與實(shí)驗(yàn)條件幾何相似的體系。（2）動(dòng)量源法為了消除槳葉區(qū)邊界條件受實(shí)驗(yàn)的限制，研究者開發(fā)出了新的途徑以實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)的模擬?；趯?duì)槳葉區(qū)流體流動(dòng)的分析，1987 年 Pericleousl提出了“動(dòng)量源”模型，把槳葉對(duì)流體的作用看作流體動(dòng)量的產(chǎn)生源，采用切向方向的附加“源”代替六直葉渦輪作用。（3）內(nèi)外迭代法內(nèi)外迭代法是將攪拌槽計(jì)算域分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個(gè)重疊的部分。內(nèi)環(huán)包括旋轉(zhuǎn)的槳葉，在以攪拌槳速度旋轉(zhuǎn)的參考系內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。外環(huán)包括靜止的擋板等，在靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算。通過在兩個(gè)區(qū)域之間交替迭代計(jì)算，獲得一個(gè)收斂結(jié)果。此法比“黑箱”模型法有了很大的進(jìn)步，不再需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了攪拌槽流動(dòng)場(chǎng)的整體數(shù)值模擬。但這種方法在計(jì)算時(shí)需要試差迭代，收斂速度較慢。（4）多重參考系法多重參考系法仍采用兩個(gè)參考系分別進(jìn)行計(jì)算，槳葉所在區(qū)域是以槳葉速度旋轉(zhuǎn)的參考系，其他區(qū)域使用靜止參考系，用來計(jì)算葉輪區(qū)以外的流動(dòng)場(chǎng)。與內(nèi)外迭代法不同的是，多重參考系法劃分的兩個(gè)區(qū)域沒有重疊的部分，不再需要內(nèi)外迭代運(yùn)算，兩個(gè)不同區(qū)域內(nèi)速度的匹配直接通過在交界面上的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，因而計(jì)算變的更加簡(jiǎn)單。（5)滑移網(wǎng)格法滑移網(wǎng)格法和多重參考系法對(duì)區(qū)域的劃分是相同的，將計(jì)算域分成分別包含旋轉(zhuǎn)的槳葉和靜止的擋板的兩個(gè)區(qū)域。不同的是，在兩個(gè)域交界面處有網(wǎng)格之間的相對(duì)滑移。滑移網(wǎng)格法的不足在于計(jì)算時(shí)需要大量的計(jì)算時(shí)間以及復(fù)雜的后處理過程。 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作步驟運(yùn)用CFD對(duì)流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，一般包含下列四個(gè)步驟:（1)建立反映工程實(shí)際問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。（2)尋求高效率以及高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法，如有限元法、有限差分法、有限體積法等。（3)編制程序進(jìn)行計(jì)算。包括劃分計(jì)算網(wǎng)格、指定初始條件和邊界條件、設(shè)定控制參數(shù)等。（4)顯示和處理計(jì)算模擬結(jié)果。第四章 攪拌槽內(nèi)單相流動(dòng)的數(shù)值模擬攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)是復(fù)雜的湍流狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定完全獲得攪拌槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀況，是一項(xiàng)昂貴費(fèi)時(shí)的工作，也是不現(xiàn)實(shí)的想法。利用CFD方法對(duì)攪拌槽進(jìn)行單相流動(dòng)數(shù)值模擬，定性分析不同槳葉高度對(duì)槽內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)和攪拌功率的影響，為攪拌槽的工業(yè)開發(fā)及應(yīng)用提供一定的參考作用。 模擬計(jì)算的前處理 建立幾何模型模擬對(duì)象為一平底單層槳攪拌槽，槽內(nèi)均布四塊擋板，幾何尺寸如表41所示。由于攪拌槽幾何形狀和槽內(nèi)流體流動(dòng)的對(duì)稱性，模擬時(shí)選用1/2攪拌槽作為計(jì)算域，如圖41所示。槳葉形式分別為六直葉圓盤槳(6DT)、六葉上斜葉槳(6PDTU)和六葉下斜葉槳(6PDTD)，幾何模型如圖42所示。槽內(nèi)攪拌介質(zhì)為水，其密度為1000Kgm3，粘度為1mPas，模擬時(shí)設(shè)定的攪拌軸轉(zhuǎn)速為300 rmin1。 圖41 單層槳攪拌槽模型圖 （a）DT槳 （b）PDTU槳 （c）PDTD槳圖42 攪拌槳模型圖表41 攪拌槽幾何尺寸名稱符號(hào)數(shù)值（mm）筒體直徑D300筒體高度h300槳葉直徑d100（=T/3）轉(zhuǎn)軸直徑D115葉輪圓盤直徑D275圓盤厚度4葉片長(zhǎng)度L25葉片高度h120槳葉高度hhh4100、1170擋板數(shù)目Nb4個(gè)擋板寬度Wb30（=T/10） 劃分網(wǎng)格 對(duì)任何問題進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要對(duì)問題進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，建立物理模型，然后將空間上連續(xù)的計(jì)算域進(jìn)行剖分，把它劃分成許多子區(qū)域，并確定每區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)，即生成網(wǎng)格。目前生成網(wǎng)格的方法可以分為兩大類：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。當(dāng)計(jì)算域?yàn)楸容^規(guī)則的幾何模型時(shí)，可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。當(dāng)計(jì)算域比較復(fù)雜時(shí)，這時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于本次模擬所選用的攪拌槳和攪拌槽結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，其網(wǎng)格劃分均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)槳葉、擋板及轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，以便更好的捕捉其附近的流動(dòng)特性。并且在所有壁面處應(yīng)用Inflation這一網(wǎng)格特性，以保證壁面處的速度變化不至于太大。圖4445為槳葉網(wǎng)格劃分圖，圖46為Inflation網(wǎng)格細(xì)化圖。圖43 DT槳網(wǎng)格 圖44 PDTU槳網(wǎng)格圖45 PDTD槳網(wǎng)格 圖46 Inflation網(wǎng)格細(xì)化 確定邊界條件結(jié)合攪拌槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和