Abstract ： To simulate the final emulsion result of multiphase fluid in mixer， combined with FLUENT and ANSYS ，a numerical simulation software of flow field is developed for multiphase fluid mixer by using VB which is taken as the foreground development program. The user interface is developed by VB ，and the pre-processing model is implemented by invoking APDL of ANSYS in background，which is used to fulfill the modeling，meshing，componentbuilding of mixer blade and cylinder. The log file of FLUENT is invoked to implement the flow field simulation and postprocessing for the fluid，and the graphic and text are outputted and displayed on the user interface which is developed by VB. Compared with the MixSim developed by FLUENT Company，the software can simulate the phase distribution of the multiphase fluid after mixing，and is easy to implement the parameter optimization，especially the optimization of mixer blade rotation speed. Key words： multiphase fluid； mixer； flow field simulation； software development； FLUENT； ANSYS 搅 理等行业中应用广泛. 尤其是在化学工业中， 拌釜式反应器 （ 以下简称搅拌器 ） 是在化工生产中 应用最广泛的反应器之一. 虽然目前对搅拌器已有
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一道分别成为 ANSYS 公司旗下强大的流体和固体 ［ 9］ 仿真软件. ANSYS 软件在参数化建模 方面有着独 特的优势， 使得 ANSYS 在众多 CAE 分析软件中独 通常 领风骚；而 FLUENT 软件本身不具备建模功能， 都是利用第三方软件 GAMBIT 作前处理， 即建模. 结合 FLUENT 和 ANSYS 软件各自的优点以及 FLUENT 被 ANSYS 公司收购的情况， 提出用 VB 开 发用 户 交 互 界 面： 先 通 过 后 台 调 用 ANSYS 运 行 APDL， 完成 FLUENT 软件的前处理模块， 实现搅拌 器叶片、 筒体的建模， 网格划分和组元创建； 然后通 过后台调用 FLUENT 运行日志文件， 实现流体流场 仿真运算与结果后处理.
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引
言
搅拌设备在化工、 食品、 冶金、 造纸、 石油和水处
收稿日期： 2010-08-金项目： 国家 科技支撑计划（ 2008BADC4B15 ） ；四川省教育厅青年基金项目（ 10ZB097 ） ； 四川理工学院人才引进项目 （ 2009XJKRL002 ） （ Email） cagd@ tom. com 作者简介： 唐克伦（ 1972 —） ， 男， 四川泸县人， 教授， 博士， 研究方向为计算力学和计算机图形图像处理，
要： 为对搅拌器多相流体间的最终乳化结果进行模拟 ， 结合 FLUENT 与 ANSYS 软件， 以 VB 为 . VB ， ANSYS 前台程序开发搅拌器流场数值模拟软件 用 开发用户交互界面 通过后台调用 的 APDL 摘 完成前处理模块， 实现搅拌器叶片、 筒体的建模， 网格划分和组元创建；通过后台调用 FLUENT 运行 日志文件实现流体流场仿真运算与结果后处理 ， 并以图形和文本输出到 VB 开发的用户界面. 实例 表明， 与 FLUENT 公司开发的 MixSim 比较， 该软件的优势是能模拟出多相流体搅拌后相分布规律 ； 通过改变搅拌器相关参数， 容易实现参数的优化， 特别是搅拌器叶片转速的优化. 关键词： 多相流； 搅拌器； 流场模拟； 软件开发； FLUENT； ANSYS 中图分类号： TQ051. 7 ； TB115. 7 文献标志码： A
Numerical simulation software of flow field in multiphase fluid mixer
TANG Kelun，ZHANG Yingqian，LIANG Zhiquan
（ College of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000 ，Sichuan，China）
序自动判断是否满足周期性条件 ， 如果满足， 则依据 操作员的设置进行周期性或非周期性计算 .
代表分属哪个流体区域； fixw 代表与筒体外壁面相 联系的面；sldw 代表与滑移界面相联系的面等. 依据 Component 的字母组合即可在 FLUENT 中进行边界 条件的设置.
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FLUENT 中流体及边界条件设置
第 20 卷 第 1 期 2011 年 3 月
计 算 机 辅 助 工 程 Computer Aided Engineering
Vol. 20 No. 1 Mar. 2011
文章编号：1006 － 0871 （ 2011 ） 01-0037-05
多相流搅拌器流场数值模拟软件
唐克伦， 张应迁， 梁智权
（ 四川理工学院 机械工程学院 ， 四川 自贡 643000 ）
http ：/ / www. chinacae. cn
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计
算
机
辅
助
工
程
2011 年
许多的实验和理论研究， 但相关的理论及设计计算 方法仍不完善， 在工业过程中设计和放大的主要方 法依然是半经验的方法， 需大量的实验数据和数学 模型来描述反应器中的流体运动情况 . 随着计算机技术的高速发展， 计算机运算速度 也大幅提升， 使得以计算机数值模拟方式研究搅拌 器流场逐渐成为可能. 在多数情况下， 对搅拌器的流 场模拟能得出许多有用的结果. 如对于多相流问题， 可通过流场模拟的方法得出在一定转速情况下多种 流体乳化的相分布规律， 同时也能得出在该转速情 况下的搅拌器运行功率及搅拌混合时间 ， 而这 2 种 结果正是搅拌器设计过程中比较难解决而又必须要 FLUENT 公司已开发有 解决的 2 个关键问题. 目前， 一款专门针对搅拌器流场的数值模拟软件 MixSim， 但 MixSim 只针对单相流场的数值模拟， 对于多相流 体间的最终乳化结果不得而知. 近年来， 国内外许多学者对多相流搅拌混合作 了大量的实验与数值模拟研究. 陈涛等 以珍珠岩 通过实验与数值模拟研究在 3 颗粒和清水为材料， 层桨叶作用下珍珠岩颗粒的分布规律， 验证数值模 ［ 3］ ［ 4］ ［ 5］ 拟的准 确 性； 闵 健 、 侯拴弟等 、 周国忠等 、 ［ 6］ ［ 7］ JAWORSKI 等 和 王 卫 京 等 的 计 算 流 体 力 学 （ Computational Fluid Dynamics， CFD ） 数值模拟与实 验研究证明多相流搅拌数值模拟的可行性 . FLUENT 是目前流行的流体仿真软件， 其日志
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由于搅拌轴对流场的总体影响相对较叶片
的影响低许多， 在建模中未考虑搅拌轴建模部分 ， 降 低建模的复杂度. 叶片可安装在搅拌器中任意位置 处， 包括偏心安装和斜插安装等；叶片也可以多种叶 只要位置合适、 不形成干涉即 片的形式组合安装， 可. 由此， 每个叶片的输入参数除几何尺寸以外， 还 偏心距离、 轴向 需几个位置控制参数： 距底面高度、 安置角、 环向安置角以及叶轮转速 等. 在 FLUENT 中， 软件采用滑移网格法， 因此在搅拌器模型建成 需以一个筒体将叶片包围并从整个模型中分割 后， 出来， 为形成多参考坐标系下的滑移网格作准备 . 1. 3 网格划分 由于搅拌器内部构件比较复杂， 可采用四面体 网格划分的密度可 自由网格划分. 针对不同的区域， 这样才能保证既有一定的计算精度 ， 同时计 以不同， 算速度也不至于太慢. 在重要的区域 （ 如搅拌器叶 片区域） ， 网格通常需加密. 软件设置 3 种不同的网 格尺寸， 定义一个当量尺寸为 L eq = 槡 H × D2 （1） 式中：H 为筒体高度； D 为筒体直径. 则其相应的网 格尺寸 S 定义为
在 CFD 多相流仿真中， 通常将固体颗粒作为一
种拟流体进行处理. 为较真实地模拟工程问题， 推荐 通常设最上层为气相， 这 的流体为液 － 液 － 气三相， 样可方便地观测气液分界面流体的波动情况 . 当然 也可不考虑气相， 直接在液面采用对称性边界条件 . 综合 考 虑 各 种 因 素， 多相流模型采用混合 （ Mixture） 模型；湍流模型采用标准的 kε 模型；壁面 采用近壁条件. 在 FLUENT 中可以识别一些简单的 ANSYS 中设置的边界， 但在参数化设计时， 该方法 不易实现. 本文在 ANSYS 中进行所有边界的选择， 形成各自的 Component（ 组元） ， 并按特性命名， 以便 在 FLUENT 中按名称区分边界并进行设置. 如对于 一个对称问题， 涉及的部分组元名称见图 1. 图中 sl 与 sr 分别代表周期边界的左、 右二侧；in 和 out 分别 代表滑移界面的内部和外部； bldw1 代表叶片壁面， 其后跟随的数值表示是第几个叶片 ； fld _1 与 fld _2