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计算流体动力学如何应用于混合器设计

在过去的二十年中,基于不断增加的计算能力,计算流体动力学(CFD)建模软件的使用迅速增长。

图1 SPX Lightnin
图1 SPX Lightnin

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图1:广义上讲,有效的能源利用是通过在中心放置一个混合器,安装壁障板以及使用一个如图所示的水翼式叶轮来实现的。

在过去的二十年中,基于不断增加的计算能力,计算流体动力学(CFD)建模软件的使用迅速增长。 商业软件可用于预测简单和复杂几何形状中的流动模式。 由在流体混合领域经验丰富的CFD工程师进行分析时,这些模型的输出是工业混合设计中的重要工具。

然而,正确使用CFD需要对基本流体力学有清晰的了解。 这包括:1)对情况(层流或湍流)应用正确的流体模型; 2)音量划分技术; 3)给定几何形状的合适边界条件和4)结果的实验验证。 因此,CFD最好由经验丰富的工程师处理,他们了解最新的分析工具并且精通混合技术。

混合器使用2D或3D CFD技术建模。 第一种仅适用于轴对称安装,即完全折流的圆形水箱,其混合器垂直安装在中间。 2D建模需要了解叶轮出口速度曲线,这是通过实验技术(例如激光多普勒测速法(LDV))获得的。

流型效果

尽管2D建模仅能快速近似于垂直平面上的混合槽流型,但它支持快速确定叶轮位置和所需叶轮数量,特别是在低粘度混合应用中。

在3D中建模时要考虑到叶轮的几何形状及其旋转。 但是,仍应使用LDV结果验证通过3D CFD预测的流场。 可以对各种混合器几何形状进行建模,包括角度安装和侧面进入,或者如果一个储罐内有多个混合器,则可以进行建模。 与2D CFD相比,3D在比较初始混合器设计选项和进行过程故障排除时更有用。

此外,3D CFD可以确定进入水箱的进水流和出水流的流型效果。 该分析可以帮助确定入口流是否会短路或对混合器建立的流型产生负面影响。

图2
图2:单叶轮和双叶轮设计中流动模式和速度的二维比较,尤其用于低粘度混合应用中。

实际限制

经验丰富的CFD工程师可以使用CFD建模来预测过程变量,例如固体悬浮液应用的混合时间或云雾高度。 此外,迄今为止,已经使用CFD进行了工作,以预测气液分散应用中的气体分布。 尽管使用CFD可以进行这项工作和相关工作,但是由于所需复杂模型的性质,运行模型所需的时间显着增加。 这通常需要多台计算机运行几天而不是几个小时才能获得一个预期的答案。 此外,必须完成实验验证以验证这些复杂模型的发现。 因此,目前,通常建议使用实验方法(实验室规模或中试规模的测试)来预测复杂混合应用的混合性能。

CFD有助于正确评估混频器的设计和应用,但不能用作独立的设计工具。 混合器设计不仅包括优化叶轮设计,还包括机械设计,储罐结构设计,储罐内部设计(即挡板,盘管)等。 但是,如示例所示,正确应用后,CFD可以有效地用于优化混合器工艺设计。

混频器设计中的实用CFD示例

图3用于Dcase混合的实验设置
图3:用于显示混合器性能的实验设置,建议用于预测复杂应用的混合性能。

在第一个示例中,二维CFD分析表明,对于给定的混合器应用,两个叶轮比一个更好。

两种可混溶液体的低粘度共混是许多行业的普遍应用。 尽管可以使用各种混合器配置,但最有效的能源使用是通过使用水翼叶轮(例如SPX LIGHTNIN品牌A510)将混合器置于带壁挡板的中心位置进行的(见图1)。

在某些情况下,由于空间限制,使用了具有高长宽比(即高液体高度与容器直径之比)的高罐。 整个罐中的内容物必须在给定的时间内混合。 在这种情况下,必须选择单叶轮或双叶轮安装。 两种设计的流型之间的差异可以通过2D CFD进行演示。 这样的比较如图2所示。

对于单个叶轮,使用了更快的转速。 尽管增加第二个叶轮会增加初始成本,但由于在两个模型中安装的电动机功率相同,尽管双叶轮的速度分布和能量耗散更好,但油箱与两个叶轮的混合速度更快。

如果目标是节能,添加第二个叶轮将减少搅拌机的安装功率,同时导致与单叶轮搅拌机相同的混合时间。 使用三维电导率探针(过程层析成像,如图3所示)的实验工作可以在每种设备的缩小版本上进行,以显示在高水箱中安装两个叶轮而不是一个的有效性。

做混合器放大所需的比较

固体悬浮液在工业和市政市场中都是常见的应用。 通过在罐底附近的流体内保持一定水平的平均速度和涡流来实现悬浮。 CFD可以验证从一个标度到下一个标度的速度和能量图相似,因此,从一个标度到另一个标度的性能是否相似。

该示例涉及一个3.8 m 3完全折流的圆形罐,带有方形批号(即,液体高度与罐直径之比为1.0)。 工厂有兴趣将过程扩展到最大比例为148:1。 混合器的职责是悬浮轻质固体。 大型船舶与小型船舶需要相同的悬挂水平。 请注意,小规模的搅拌机在此放大之前已成功运行。

图4速度轮廓图新建图1新建
图4:用于全尺寸(左)和较小尺寸设计的速度轮廓比较,用于固体悬浮液应用的放大。

放大固体悬浮液应用程序的常用方法是保持几何比例在各个缩放比例之间的相似性,并且还扩大每单位体积的功率或比功率。 比较两个比例的流态也很重要。 在这种情况下,两种情况都具有低粘度流体,因此每种情况下的雷诺数都是完全湍流的。 在流体力学中,雷诺数(Re)是无量纲数,用于度量惯性力与粘性力的比值。 如果不是这种情况,则CFD不能轻易地用于将一种情况与另一种情况进行比较,尤其是当流体状况随放大比例而改变时。 以两种比例建模的叶轮是SPX LIGHTNIN品牌的A510叶轮(如图1所示)。

速度场比较如图4所示。图5显示了能量耗散比较。

在这两种情况下,全尺寸设计都显示在左侧,而较小尺寸的设计则显示在右侧。 为了公平地比较,两个图都按比例缩放到相同的速度和能量耗散水平。 由于叶尖速度从小到大提高,与小规模混合器相比,按比例放大混合器产生的速度略高。 能量散布图也相似,其中较高水平的湍流指向容器底部,这需要以类似的方式在不同规模之间悬浮固体。

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图5:用于固体悬浮液应用的能量消耗比较。

尽管没有对实际的云高进行建模,但如果流态从一个尺度到下一个尺度保持恒定,则该分析可用于证明采用放大方法是合理的。

CFD被误用于预测固体悬浮性能

A510叶轮具有多种可用的特定叶片形状,每种组合产生不同的叶轮功率值。 随着叶片末端的角度减小(叶尖弦角度),叶轮的功率数减小。 因此,为了在给定直径下保持功率,功率较小的叶轮必须旋转得更快。

在这种情况下,在悬挂测试中以相同的功率水平比较了两个A510叶轮。 在这种情况下,具有较高尖端弦角的A510需要比具有较低尖端弦角的A510少25%的功率,以在容器内产生相同水平的悬浮液。 针对每种情况执行3D CFD模型。

图6显示了速度矢量比较,图7显示了测试容器底部的涡流消散比较。 乍一看,速度矢量看上去近似相同,而涡流消散图却完全不同。 尽管速度图是最常用的CFD输出进行比较,但它们并不总是得出正确的结论(在这种情况下,相等的速度场意味着相等的悬架性能)。 这也表明,所有三个叶片式水翼叶轮在每种应用中的性能不一定相同,因此,必须谨慎选择叶轮的设计。

图6
图6:比较显示两种设计的速度矢量看起来非常相似。
图7
图7.但是涡流散布图的比较表明它们是完全不同的。

Richard O. Kehn是Lightnin的高级混合技术人员, LightninSPX Flow Technology提供的混合设备品牌。 Kehn拥有Rensselaer Polytechnic Institute的化学工程学士学位。 他正在攻读罗切斯特理工学院的机械工程硕士学位,专攻流体动力学。 Kehn已撰写或合着了八篇有关混合主题的技术论文,包括低粘度混合,铜溶剂萃取,浆液罐式搅拌器设计,机械流体力对混合的影响以及CFD在混合应用中的实际应用。 混合专业知识领域包括采矿,水处理,纸浆和造纸以及化学工业。 可以通过richard.kehn@spx.com与他联系。 有关SPX Lightnin的更多信息,请访问spx.com/en/lightnin

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