双曲面搅拌机流场的数值模拟研究彭珍珍1,　赵恒文1,　郭聪聪1,　汪文生2,　曾德全2(1.河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098;2.南京贝特环保通用设备制造

有限公司,江苏南京210098

)

摘　要:　应用计算流体力学(CFD)软件、利用多重参考系法(MRF)对新型的污水搅拌设备———双曲面搅拌机的流场进行数值模拟,考察了搅拌槽内水体的流态特性,并提出了优化建议。结果表明,未加挡板时,切向剪切是搅拌槽内水体的主要流动形式;在搅拌槽周围加上挡板后,可使槽内的水流形态重新分布,使轴向流速显著增加,立体循环运动更明显,更符合污水处理的搅拌形式和速度上的要求。 关键词:　计算流体力学(CFD);　双曲面搅拌机;　数值模拟中图分类号:X703 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2009)19-0091-04

NumericalSimulationofFlowFieldinHyperboloidStirrerPENGZhen2zhen1,　ZHAOHeng2wen1,　GUOCong2cong1,　WANGWen2sheng2,　ZENGDe2quan

2

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098

,

China;2.NanjingBeiteEnvironmentalProtectionGEManufactureCo.Ltd.,Nanjing210098,China) Abstract:　Thecomputationalfluiddynamics(CFD)softwareandmulti2referenceframe(MRF

)

methodwereappliedtonumericallysimulatetheflowfieldinanewwastewaterstirringequipment—hy2perboloidstirrer.Thefluidflowcharacteristicinthestirredtankwasinvestigated,andtheoptimizationsuggestionwasputforward.Theresultsshowthatthetangentialshearisthemainflowpatternofthewastewaterinthestirredtankwithoutthebaffle.Afterputtingthebafflearoundthestirredtank,theflowpatternsinthestirredtankcanberedistributed,theaxialvelocitycanbeincreasedsignificantly,andtheverticalcirculationofthewastewatercanbemoreobvious,whichismoresuitablefortherequirementofthestirringpatternandvelocityinthewastewatertreatment. Keywords:　computationalfluiddynamics(CFD);　hyperboloidstirrer;　numericalsimulation

搅拌混合设备作为一种在污水处理中常用的工艺设备,可通过创建水流起到强化搅拌混合作用,防止活性污泥沉淀,被广泛用于混合池、厌氧池、水解生化池等工艺中。但由于搅拌设备在工作时会产生复杂的流体运动,目前搅拌设备的设计和应用对实测和工程师经验的依赖性比较强,这样就存在设计周期长、耗费大、精确度低等问题。将计算流体力学(CFD)数值模拟技术应用到搅拌设备的设计分析中,通过数值模拟软件求解描述过程,可以实现过程设计、优化以及放大。目前国内对CFD用于搅拌过程的研究很多,但是对双曲面搅拌机这种新型的污水处理设备的数值模拟研究还未见报道。因此,笔者采用CFD方法对叶轮直径为300mm的双曲面搅拌机的搅拌流场进行数值模拟,并提出了优化意见,

以提升其搅拌混合效果。1

数值模拟111　计算方程的选取旋转的搅拌桨作用于流体产生了复杂的三维湍

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第25卷　第19期2009年10月 中国给水排水CHINAWATER&WASTEWATER Vol.25No.19Oct.2009流流动,因此选择合适的湍流模型成为模拟的关键。搅拌器三维流场数值模拟采用了三维雷诺平均N-

S方程,并用标准k-ε湍流模型使方程组闭合。已

有研究表明,标准k-ε模型稳定、简单,可在较大的工程范围内得到足够的精度,在定常条件下搅拌流场的不可压流动可用以下方程组描述:

①　连续方程

　99t+9(ρu)9x+9(ρv)9y+9(ρw)

9z

=0(1)

式中　u、v、w———相对速度分量②　动量方程

　9ui9t+99xi(uiuj)=Fi-1ρ9ρ9xi+v92u

j

9xi9x

j

(2)

③　湍动能方程

9u

ik9xi-99xi[(v+vt

σk)9k9xi

]=Pr-ε(3)

式中　ui———沿i方向的速度分量　fi———沿i方向的质量力112　搅拌设备的CFD分析方法从数值模拟的角度来看,模拟搅拌槽的一大难题是如何处理好运动的桨叶和静止的挡板及槽体之间的相互作用。为此,许多研究者提出了各自不同的解决方法,目前应用最广泛的是多重参考系法(MRF)和滑移网格法(SG)[1]。在同样的计算条件

下,两种方法的计算结果基本一致,但MRF法的计算量要小一个数量级,而SG法对计算所需的硬件设备要求很高。因此笔者选用MRF法进行模拟。MRF法将计算域分成两个不重叠的区域,即搅拌桨区域和桨外区域,搅拌桨区域里的流体运动采用旋转坐标系,并且以搅拌桨的相同转速进行旋转,桨外区域的流体则采用静止坐标系,两个不同区域速度的匹配直接通过交界面上的插值转换来实现。113　模型和网格划分双曲面搅拌机的搅拌槽为圆柱形平底,直径为680mm,槽内液位高为400mm,以水为工作介质。搅拌桨形式为双曲面叶轮(见图1),该曲面是曲线xy=b沿y轴旋转而构成的曲面体,在渐开双弧面上均匀布置了八条导流叶片,叶轮的最大直径为300mm。该形式的叶轮结构简单、便于维护保养,且其独特的设计能够有效地防止水中污染物的缠绕;另外,该叶轮的水力损失较小,搅拌所需要的功率小,达到了节能的目的[2]。

图1　双曲面搅拌机的叶轮Fig.1　Impellerofhyperboloidstirrer 利用Gambit软件对两个模型水域进行网格划分,采用非结构化网格,通过对不同数量网格的试算和比较,得出了网格无关解,最终确定了网格方案,

此时网格单元的总数约为1185764个,并对叶轮表面进行了网格加密处理。114　边界条件的设定双曲面搅拌机的水流表面为自由面,CFD对自由面边界类型的处理一般有两种方法:刚体近似模拟和VOF模型模拟[3]。从理论上讲,VOF方法更接近于实际流动,但该方法所需时间较长,而刚体近似方法所需时间要少很多,且该方法也是目前应用数值模拟处理自由表面的主要措施。所以笔者对自由边界条件的处理采用刚体近似方法。2

结果与分析211　宏观流动特性双曲面搅拌器内的流动区域可分为5部分:包含叶轮在内的叶轮区、叶轮下方的排出区、槽底与槽壁交接处的角区、槽中心轮毂下方的锥形体区域和占槽中大部分体积的主循环区域。未加挡板时,双曲面搅拌器槽内流体在叶轮的作用下形成径向射流,水流运动主要表现为沿着叶轮的径向和切向运动,形成整个水体的轴向循环运动。212　时均速度分布规律根据实际应用惯例,槽内液体流速≥0.3m/s

可作为搅拌混合效果的重要判定依据。以搅拌转速为230r/min为例,在槽中间的最大纵截面上,分别在不同的流区内取4个等高线进行流场比较,这4

个等高线的位置分别为:紧靠叶轮正下方Z=30

mm处、叶轮附近Z=75mm处、叶轮上方紧靠叶轮Z=140mm处和叶轮上方的主循环区中Z=300mm处。通过这些位置的速度分布情况来初步判定其搅拌效果。搅拌槽中心轴向截面内的速度分布规律见图2(R为搅拌槽半径)。由图2(a)可知,四个不同高度的绝对速度随半

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第25卷　第19期 中国给水排水 www.watergasheat.com径的变化规律一致,峰值都出现在R=150左右,即靠近叶轮的最大直径外缘处。除了叶轮的正下方搅拌负压区外,其余的流场速度均大于0.3m/s,这说明双曲面搅拌机的搅拌效果可达到设计要求。由图2(b)可知,各等高线的轴向速度在叶轮附近达到峰值,方向也变化了2次,通过轴向速度在槽内形成的轴向螺旋循环流场,可有效防止悬浮物沉淀。图2　搅拌槽中心轴向截面内速度的分布规律Fig.2　Velocitydistributionatmiddleaxialsectioninstirredtank时均速度各分量的分布规律说明,在叶轮区出现了强制涡,而在主循环区和排出区形成了自由涡。另外在相同位置处,切向速度显然大于轴向速度和径向速度,说明切向剪切是未加挡板时双曲面搅拌机内的主要流动形式。3　优化设计针对上述流场,笔者提出了优化方案,即在搅拌槽圆周均布四块挡板。311　优化后的宏观流场图3是加上挡板后轴向45°纵截面上的流场数值模拟结果。由图3可知,加上挡板后,双曲面搅拌机的宏观流场呈现出较为规则畅通的循环流,即旋转桨叶在叶轮区产生径向射流,径向射流在流动过程中夹带周围流体,与槽壁碰撞转向后沿槽壁向上流动,然后流经整个槽体,最终沿轴向向下流回叶轮区。该种搅拌叶轮能使液体在与轴垂直的方向排出,因此可使流体在槽内进行有效的轴向循环,适合强循环的作业情况,具有促进水体有效循环和有效防止悬浮物沉淀的效果。由于漩涡的存在,漩涡附近各流层的速度分布将有所改变。叶轮排出区的时均速度比循环区的大;在叶轮以下槽壁附近上升强循环流中,

叶轮处的时均速度较大而接近槽壁处的时均速度较小;叶轮附近和叶轮排出区内的速度约为主体循环区内的3～4倍。

图3　最大纵截面流场的矢量图Fig.3　Vectorplotofvelocityfieldatlongitudinalsection312　优化后的时均速度分布规律为了与未加挡板时的搅拌流场比较,搅拌转速仍为230r/min。采点采用与未加挡板时相同的等高线,加上挡板后的速度分布规律见图4。

图4　搅拌槽中心轴向纵截面的速度分布规律(加挡板后)

Fig.4　Velocitydistributionsatmiddleaxialsectioninstirredtank

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www.watergasheat.com彭珍珍,等:双曲面搅拌机流场的数值模拟研究第25卷　第19期