・４０・ 有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ） ２Ｏ１２年７期 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—７５４５．２０１２．０７．０１ １ 三层桨搅拌槽内三维流场的数值模拟 逢启寿，邓华军 （江西理工大学，江西赣州３４１０００） 摘要：采用计算流体动力学（ＣＦＤ）的方法，对稀土萃取过程中上两层为平直叶、底层为涡轮桨叶的三层 组合桨搅拌槽内三维流场进行了研究。利用标准的ｋ ｅｐｓｉｌｏｎ双方程模型对无机相（水）和有机相 （Ｐ５０７）的混合液在搅拌槽中产生的流场进行数值计算，得到这种搅拌桨以恒定转速３００ ｒ／ｍｉｎ在搅拌 槽内转动时产生的速度场和压力场，以及速度分布云图、速度矢量图以及压力云图，为搅拌桨的设计与 改进提供理论基础。 关键词：计算流体力学（ＣＦＤ）；搅拌桨；流场；数值模拟 中图分类号：ＴＦ８０４．２；ＴＦ８４５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—７５４５（２０１２）０７—００４０—０４ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄｓ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｔｈｒｅｅ－ｌａｙｅｒ Ｂｌａｄｅｓ ｉｎ ａ Ａｇｉｔａｔｉｏｎ Ｔａｎｋ ＰＡＮＧ Ｑｉ—ｓｈｏｕ。ＤＥＮＧ Ｈ ｕａ—ｊ ｕｎ （Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００，Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ＵＳｄｄ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｓ ｓｔｉｒｒｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ—ｌａｙｅｒ ｂｌａｄｅｓ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ｔｗｏ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｂｌａｄｅｓ ａｎｄ ａ ｌｏｗｅｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｉｎ ａｎ ａｇｉ— ｔａｒｅｄ ｖｅｓｓｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ．Ｓｔａｎｄａｒｄ ｋ—ｅｐｓｉｌｏｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ａｑｕｅｏｕｓ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈａｓｅ（Ｐ５０７）．Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｔａｎｋ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ ａｔ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ３００ ｒ／ｍｉｎ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉ～ ｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｕｒｓ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖｅｃｔｏｒ ｐｌｏｔｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒｓ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｉｍｐｅｌｌｅｒ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 在稀土萃取过程中，混合澄清器（搅拌槽）是应 法对混合室的三维流场进行了数值模拟，研究结果 用最广泛的设备，一般是用ＰＶＣ板焊接而成的箱式 结构。混合澄清器由混合室和澄清室组成，一个｝昆 合室和一个澄清室构成一个混合澄清单元，即混合 澄清器的一级［１］。在稀土萃取过程中，最常用的是 机械搅拌，即利用叶轮（搅拌器）旋转搅动液体实现 搅拌混合。国内外许多学者利用计算流体动力学 对于搅拌桨的设计和实际应用具有重要的参考价 值。 １ 搅拌桨与搅拌槽的几何模型 以工程应用为基础，利用ＩＮ）ｌｆ西昌江铜稀土某 萃取车问的一种萃取混合澄清器和赣州有色冶金研 究所设计的三层桨叶结构的搅拌桨（图１），各层桨 叶跨距均为６Ｏ ｃｍ，底层桨叶距混合室底部３０ ｅｍ， 上两层平直桨叶长１４０ ｍｍ、高６０ ｍｍ、厚度６ ｍｍ， （ＣＦＤ）的方法对稀土萃取搅拌混合过程进行数值模 拟，研究了搅拌槽速度场和压力场的分布与变 化 ２ ］。本文在前人研究的基础上，采用ＣＦＤ的方 收稿日期：２０１１－１２—１５ 作者简介：逢启寿（１９６３一），男，山东潍坊人，教授 ２０１２年７期 有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ） ・ ４１ ・ 上两层圆盘直径７２ ｍｍ，底层圆盘直径１４０ ｍｍ，搅 何模型，然后对模型进行网格划分。本文采用非结 拌轴直径３０ ｍｍ，搅拌桨以３００ ｒ／ｍｉｎ恒定转速旋 构化网格技术对模型进行网格划分，对桨叶区及其 转。搅拌槽为图２所示的箱式结构 ，混合室的有 效容积为１００ Ｌ，边长４５０ ｍｍ，总高度５９０ ｍｍ，有 效液面高度５２５ ｍｍ，无挡板。 图１搅拌桨模型图 Ｆｉｇ．１ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｐａｄｄｌｅ ８ 毫 混 毫 耋 图２混合室和前室 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ａｎｔｅｃｈａｍｂｅｒ ２ 两相流混合液的物理特性 本次模拟以无机相（水）和有机相（Ｐ５ｏ７）的混 合液为工作介质。室温下Ｐ５０７的物性参数 ］：密 度９４５ ｋｇ／ｍ。，黏度０．０３６ Ｐａ・Ｓ，热导率０．１２ ｗ／（ｍ・Ｋ），比热容１ ２００ Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；水的物性参 数：密度９９８ ｋｇ／ｍ。，黏度０．００１ Ｐａ・Ｓ，热导率０．６Ｏ Ｗ／（ｍ・Ｋ），比热容４ １８２ Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）。 ３数值模拟的方法 ３．１ 网格的划分和边界条件的设置 首先运用Ｆｌｕｅｎｔ的前处理软件Ｇａｍｂｉｔ建立几 附近旋转流动区域的网格加密，以增加计算精度，整 个模型的网格数为１５９ ００５个，节点数为３１ ６８７个， 整个计算区域的网格如图３所示。本文采用多重参 考系法（ＭＲＦ），搅拌桨的桨叶区及其附近旋转流动 区为旋转运动区，即设为Ｍｏｖｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒａｍｅ； 混合室其它区域为静止流体区域，即设为Ｓｔａｔｉｏｎａ— ｒｙ。箱体的四周和底面为ＷＡＬＬ；搅拌桨叶以及搅 拌轴的外表面为ＷＡＬＬ；内部旋转网格与外部网格 交界面为ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ；液面为ＳＹＭＭＥＴＲＹ；底 端为进口，设置为ＶＥＬＯＣＩＴＹ—ＩＮＬＥＴ。 图３网格划分图 Ｆｉｇ．３ Ｇｒｉｄ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ３．２利用Ｆｌｕｅｎｔ求解器求解 本次模拟求解器采用压力基求解器，湍流模型 选用标准的愚一ｅ双方程湍流模型［５ ］，初始化后开 始迭代计算，迭代１ ０００次，得到残差动态图Ｌ７］，如 图４所示。 图４迭代１ ０００步时的残差图 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｈａｒｔ ｏｆ １ ０００ ｓｔｅｐｓ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ