摘 要: 為對攪拌器多相流體間的**終乳化結(jié)果進(jìn)行模擬，結(jié)合 FLUENT 與 ANSYS 軟件，以 VB 為
前臺程序開發(fā)攪拌器流場數(shù)值模擬軟件. 用 VB 開發(fā)用戶交互界面，通過后臺調(diào)用 ANSYS 的 APDL
完成前處理模塊，實(shí)現(xiàn)攪拌器葉片、筒體的建模，網(wǎng)格劃分和組元?jiǎng)?chuàng)建;通過后臺調(diào)用 FLUENT 運(yùn)行日志文件實(shí)現(xiàn)流體流場仿真運(yùn)算與結(jié)果后處理，并以圖形和文本輸出到 VB 開發(fā)的用戶界面. 實(shí)例表明，與 FLUENT 公司開發(fā)的 MixSim 比較，該軟件的優(yōu)勢是能模擬出多相流體攪拌后相分布規(guī)律;通過改變攪拌器相關(guān)參數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化，特別是攪拌器葉片轉(zhuǎn)速的優(yōu)化. 0 引 言 攪拌設(shè)備在化工、食品、冶金、造紙、石油和水處 理等行業(yè)中應(yīng)用廣泛. ［1］ 尤其是在化學(xué)工業(yè)中，攪 拌釜式反應(yīng)器( 以下簡稱攪拌器) 是在化工生產(chǎn)中 應(yīng)用**廣泛的反應(yīng)器之一. 雖然目前對攪拌器已有許多的實(shí)驗(yàn)和理論研究，但相關(guān)的理論及設(shè)計(jì)計(jì)算方法仍不完善，在工業(yè)過程中設(shè)計(jì)和放大的主要方法依然是半經(jīng)驗(yàn)的方法，需大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型來描述反應(yīng)器中的流體運(yùn)動(dòng)情況.
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也大幅提升，使得以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方式研究攪拌器流場逐漸成為可能. 在多數(shù)情況下，對攪拌器的流場模擬能得出許多有用的結(jié)果. 如對于多相流問題，可通過流場模擬的方法得出在一定轉(zhuǎn)速情況下多種流體乳化的相分布規(guī)律，同時(shí)也能得出在該轉(zhuǎn)速情況下的攪拌器運(yùn)行功率及攪拌混合時(shí)間，而這 2 種
結(jié)果正是攪拌器設(shè)計(jì)過程中比較難解決而又必須要解決的 2 個(gè)關(guān)鍵問題. 目前，F(xiàn)LUENT 公司已開發(fā)有一款專門針對攪拌器流場的數(shù)值模擬軟件 MixSim，
但 MixSim 只針對單相流場的數(shù)值模擬，對于多相流體間的**終乳化結(jié)果不得而知.
近年來，G內(nèi)外許多學(xué)者對多相流攪拌混合作
［2］
了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究. 陳濤等 以珍珠巖顆粒和清水為材料，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究在 3
層槳葉作用下珍珠巖顆粒的分布規(guī)律，驗(yàn)證數(shù)值模
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［3］ |
［4］ |
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擬的準(zhǔn)確性; 閔健 、侯拴弟等 、周G忠等 、 |
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的計(jì)算流體力學(xué) |
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JAWORSKI 等 |
和**衛(wèi)京等 |
( Computational Fluid Dynamics，CFD) 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究證明多相流攪拌數(shù)值模擬的可行性.
FLUENT 是目前流行的流體仿真軟件，其日志文件( Journal) 為 FLUENT 自動(dòng)化處理提供支持.
［8］
在被 ANSYS 公司收購后，F(xiàn)LUENT 與 ANSYS 軟件一道分別成為 ANSYS 公司旗下強(qiáng)大的流體和固體
［9］
仿真軟件. ANSYS 軟件在參數(shù)化建模 方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，使得 ANSYS 在眾多 CAE 分析軟件中獨(dú)*風(fēng)騷;而 FLUENT 軟件本身不具備建模功能，通常都是利用第三方軟件 GAMBIT 作前處理，即建模.
結(jié)合 FLUENT 和 ANSYS 軟件各自的優(yōu)點(diǎn)以及
FLUENT 被 ANSYS 公司收購的情況，提出用 VB 開
發(fā)用戶交互界面: 先通過后臺調(diào)用 ANSYS 運(yùn)行
APDL，完成 FLUENT 軟件的前處理模塊，實(shí)現(xiàn)攪拌器葉片、筒體的建模，網(wǎng)格劃分和組元?jiǎng)?chuàng)建;然后通過后臺調(diào)用 FLUENT 運(yùn)行日志文件，實(shí)現(xiàn)流體流場仿真運(yùn)算與結(jié)果后處理.
1 ANSYS 幾何建模
1. 1 筒體及附件
筒體及附件結(jié)構(gòu)可表示為:筒體 + 擋板或?qū)Я魍?+ 上封頭、下封頭. 筒體部分建模相對比較簡單;而擋板設(shè)計(jì)中考慮矩形擋板和橢圓形擋板 2 種擋板
形式，其參數(shù)包括擋板幾何參數(shù)和位置參數(shù). 幾何參數(shù)中對流場影響較大的是擋板的寬度;擋板的厚度 ( 橢圓擋板為橢圓截面短徑) 按默認(rèn)比例設(shè)置;擋板的高度通過位置參數(shù)控制，即擋板距離筒體底部和上端部位置進(jìn)行設(shè)置;周向位置采用均布方式;軸向位置通過與筒體壁的距離進(jìn)行設(shè)置. 這樣，擋板和導(dǎo)流筒的輸入?yún)?shù)幾乎一樣，在 VB 中可采用同一界
面進(jìn)行處理. 上、下封頭可考慮平底封頭、橢圓封頭 ( 圓形封頭) 以及錐臺封頭等.
1. 2 攪拌器葉片
攪拌器葉片初步考慮目前常見的 10 余種葉片
［1］
形式. 由于攪拌軸對流場的總體影響相對較葉片的影響低許多，在建模中未考慮攪拌軸建模部分，降低建模的復(fù)雜度. 葉片可安裝在攪拌器中任意位置處，包括偏心安裝和斜插安裝等;葉片也可以多種葉片的形式組合安裝，只要位置合適、不形成干涉即可. 由此，每個(gè)葉片的輸入?yún)?shù)除幾何尺寸以外，還需幾個(gè)位置控制參數(shù):距底面高度、偏心距離、軸向安置角、環(huán)向安置角以及葉輪轉(zhuǎn)速等. 在 FLUENT
中，軟件采用滑移網(wǎng)格法，因此在攪拌器模型建成后，需以一個(gè)筒體將葉片包圍并從整個(gè)模型中分割出來，為形成多參考坐標(biāo)系下的滑移網(wǎng)格作準(zhǔn)備.
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序自動(dòng)判斷是否滿足周期性條件，如果滿足，則依據(jù) |
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操作員的設(shè)置進(jìn)行周期性或非周期性計(jì)算. |
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2 FLUENT 中流體及邊界條件設(shè)置 |
在 CFD 多相流仿真中，通常將固體顆粒作為一種擬流體進(jìn)行處理. 為較真實(shí)地模擬工程問題，推薦的流體為液 － 液 － 氣三相，通常設(shè)**上層為氣相，這樣可方便地觀測氣液分界面流體的波動(dòng)情況. 當(dāng)然也可不考慮氣相，直接在液面采用對稱性邊界條件.
綜合考慮各種因素，多相流模型采用混合 ( Mixture) 模型;湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的 k-ε 模型;壁面
采用近壁條件. 在 FLUENT 中可以識別一些簡單的
ANSYS 中設(shè)置的邊界，但在參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，該方法不易實(shí)現(xiàn). 本文在 ANSYS 中進(jìn)行所有邊界的選擇，形成各自的 Component( 組元) ，并按特性命名，以便在 FLUENT 中按名稱區(qū)分邊界并進(jìn)行設(shè)置. 如對于一個(gè)對稱問題，涉及的部分組元名稱見圖 1. 圖中 sl
與 sr 分別代表周期邊界的左、右二側(cè);in 和 out 分別代表滑移界面的內(nèi)部和外部;bldw1 代表葉片壁面，其后跟隨的數(shù)值表示是第幾個(gè)葉片 ;fld_1 與fld_2
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代表分屬哪個(gè)流體區(qū)域;fixw 代表與筒體外壁面相 |
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聯(lián)系的面;sldw 代表與滑移界面相聯(lián)系的面等. 依據(jù) |
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Component 的字母組合即可在 FLUENT 中進(jìn)行邊界 |
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條件的設(shè)置. |
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3. 1 VB 與 ANSYS 之間的交互 |
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當(dāng) VB 調(diào)用 ANSYS 進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，需判斷 |
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ANSYS 是否運(yùn)算完畢，以便進(jìn)行后續(xù)工作. 為此，程 |
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序設(shè)計(jì)在生成 ANSYS 的 APDL 程序段末尾加入 2 |
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條語句:“* create，end_of_file，mac”與“* end”，以 |
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生成一個(gè)空的宏文件“end_of_file. mac”. VB 依據(jù)文 |
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件夾中是否存在 end _ of _ file. mac 文件來判斷 |
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ANSYS 是否運(yùn)行完畢. VB 與 ANSYS 之間的數(shù)據(jù)交 |
換主要用于在 VB 中實(shí)現(xiàn)圖形預(yù)覽功能. ANSYS 批
處理運(yùn)行的語句為“ANSYS _ path ANSYS120. exe
－ b － np － i input_file － o output_file”，其中 input_
file 即為 VB 中生成的 APDL 文件，output_file 為輸出文件，在此沒有特定用途，可任意命名. － np 為并行運(yùn)算參數(shù)，p 為并行運(yùn)算的數(shù)目，對雙核和四核
CPU 而言，其分別為 － n2 和 － n4. ANSYS _path 為 ANSYS 可執(zhí)行文件的路徑. 在程序設(shè)計(jì)中 ANSYS_ path 與 p 的數(shù)值通過讀取環(huán)境變量進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置.
在 VB 運(yùn)行外部程序時(shí)，只需一個(gè) Shell 命令即可.
2. 2 VB 與 FLUENT 之間的交互
VB 與 FLUENT 之間交互，不僅要實(shí)現(xiàn)圖形預(yù)覽功能，而且還要讀取少量的文本數(shù)據(jù)，如計(jì)算完畢后扭矩?cái)?shù)值、某截面的相分布數(shù)據(jù)以及計(jì)算前的邊界條件設(shè)置等. 同與 ANSYS 交互類似，VB 也通過生成 FLUENT 的 Journal( 日志文件) 來控制其運(yùn)行、結(jié)
果輸出，然后在 VB 下實(shí)現(xiàn)結(jié)果的讀取與顯示. 運(yùn)行
日志文件的語句為“fluent_path fluent 3d － hidden
－ tp － i input_file － o output_file”. 其中，－ hidden
指定在運(yùn)行 FLUENT 時(shí)前臺不顯示，－ tp 為并行運(yùn)算參數(shù)，p 為并行運(yùn)算的數(shù)目. 由于 FLUENT 運(yùn)行時(shí)間較長，需實(shí)時(shí)顯示 FLUENT 的運(yùn)行進(jìn)度，可通過讀取 FLUENT 下生成的圖形文件編號了解程序的運(yùn)行情況以及判斷程序是否運(yùn)行結(jié)束.
3. 3 ANSYS 與 FLUENT 之間的數(shù)據(jù)交換
FLUENT 提供與 ANSYS 的數(shù)據(jù)接口. 在劃分完網(wǎng)格并進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置后，通過在 ANSYS 中輸入
“Allsel，all”與“CDwrite，db，filename. cdb”2 條命令來輸出網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，然后在 FLUENT 中通過命
令 /file /import /mechanical － apdl /input filename.
cdb 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格讀入操作.
4 運(yùn)行實(shí)例
設(shè)計(jì)一個(gè)筒體，直徑為 1 m，直筒部分高為 1 m; 上端采用對稱性設(shè)置，下端為平底封頭;安裝一圓盤渦輪式 6 折葉葉片，葉片外徑 500 mm，葉片高
120 mm，葉片距離底部 300 mm，中心安裝折葉角為 45°. 考慮 2 種流體，其密度分別為 998 kg /m
3 和
950 kg /m
3 ，黏度均為 0. 001 Pa·s;所占容積高度分別為 600 mm 和 400 mm. 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的相分布見圖
3.
