第10卷第6期 2010年12月
过程工程学报
The Chinese Joumal of Process Engineering
六弯叶搅拌槽内假塑性流体流场及洞穴变化的数值模拟
桌德玉，周慎杰"，陈颂英'，楚树坡
(1.山东大学机械工程学院，山东济南250061：2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061)
Vol.10 No.6 Dec.2010
摘要：利用计算流体力学的方法，对六弯叶揽拌器在黄原胶水溶液(一种具有届服应力的假塑性流体)中的流场及洞穴变化进行研究，得到了搅择器的功率准数、流动准数、泵送效率以及洞穴大小随雷诺数的变化情况。结果表明，层流状态下，功率准数与雷诺数成反比，流动准数和泵送效率随雷诺数增加而增大，随流体粘度增加而降低，采用 Herschel-Bulkley流变模型模报的洞穴形状为圆柱形D, 垒标图中，D/D与PoRe,接近线性关系，拟合后的直线斜率为0.35. 关键词：假塑性流体；洞穴；六弯叶揽拌器；届服应力：层流模型
中图分类号：TQ027.2 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)06-105406
与实验结果作对比.结果表明，当流体处于层流和低雷诺数的过渡流状态时，采用圆柱形模型模拟的洞穴大小
许多过程工业的生产都会涉及非牛顿流体的搅拌，而大多数非牛顿流体呈现带有一定届服应力的假塑性特征，即流体所受的剪切应力超过其屈服应力时才会流动，粘度随剪切应力增大而减小，具有剪切稀化的流动特性"，假塑性流体在搅拌桨附近区域内存在强烈的混合(形成洞穴)，外部流体则处于停滞或缓慢流动状态})，这无疑对流体混合极为不利.因此，预测流场及洞穴大小的变化对于剪切变稀的假塑性流体搅拌至关重要，以保证整个槽内的流体均处于循环流动状态。
目前，用于预测洞穴大小与搅拌功率关系的数学模型主要有3种，即球形、圆柱形和环形.Solomon等[3] 首先提出了球形洞穴的数学模型，基于扭矩平衡，他们假设洞穴边界上的流体流动主要为切向流，搅拌器作用于洞穴边界上的应力等于流体的届服应力.后来，Elson 等[4对上述模型进行了修正，利用X射线流动可视化技术，他们采用圆柱形模型来描述洞穴形状，该模型适应于Herschel-Bulkley和Casson类型具有届服应力的流体尽管2个模型(球形和圆柱形)都能较好地预测洞穴直径，但根据Amanullah等[3]的报道，圆柱形模型能更好地描述洞穴形状.之后，Amanullah等开发出环形洞穴的数学模型，该模型认为，搅拌器作用于洞穴边界上总的动量是由切向和轴向剪切分量组成的，它特别适合描述幕律流体的假洞穴形状大小
Vichterle等[6]在对细微固体粒子在剪切稀化流体中的悬浮问题进行研究时，首次提出洞穴概念，并用于描述桨叶区附近的流动状态；Adams等[7采用45°六斜叶桨，利用数值模拟研究了Carbopol溶液的洞穴变化，并
及形状与实验结果相吻合，而球形模型过高预测了洞穴大小.Hirata等国]和Jaworski等[9利用LDA实验方法分别研究了在Rushton搅拌器、ChemineerHE3和Prochem MaxfloT搅拌器作用下洞穴大小及速度分布，确定了洞穴边界速度为搅拌器叶端速度的0.01倍：此外，Elson[10] 分别采用了推进式桨、斜叶涡轮及二叶桨式搅拌器， Galindo等[2,)利用LightninA315和Scaba 6SRGT搅拌器，Amanullah等[12]采用轴流的SCABA3SHPI搅拌器，通过不同的实验方法，对假塑性流体所形成的洞穴大小与揽拌功率的关系进行了研究，其结论表明，对于平均的洞穴高度与洞穴直径的比值(H/D)，径向流搅拌器产生洞穴的高度较低，而轴向流搅拌器较高，混合流搅拌器居中；一旦洞穴边界到达壁面，搅拌器类型对流体的轴向扩展不再产生影响：大直径搅拌器对洞穴的形成有更高的能效
随计算流体力学的不断发展，CFD技术已成为一个重要工具，可提供在实验中无法得到的完整数据，用于深入理解流场特性，优化现有工艺并开发新工艺[13,14] 从文献[15-19]得知，利用CFD模拟得到的混合时间、功率消耗、流场形态及速度分布等方面的数据与实验结果吻合很好，模拟结果令人满意。周国忠等[20]利用k-模型计算了假塑性流体甲基纤维素钠(CMC)水溶液在揽拌槽内的三维流动场，结果表明，主体流动区内速度分布与PIV测量结果吻合较好.李晶等[2]采用不同型式的搅拌器对黄原胶水溶液流状态下的流动特征、搅拌效果及功率消耗进行了数值模拟研究.张丽丽等(22) 研究了FCC催化剂胶体在不同转速下的自由液面高度
收稿日期：2010-1020，修回日期：2010-1208
作者篇介：案德玉(1964-)，男，山东省龙口市人，博士研究生，副教授，主要从事高效揽拌设备CFD分析及流场数值模报，E-mail:qddy05@163.com 万方数据