多相流搅拌器流场数值模拟软件

摘 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为前台程序开发搅拌器流场数值模拟软件.用VB开发用户交互界面，通过后台调用ANSYS的APDL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）

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, component-building of mixer blade and cylinder. The log file of FLUENT is invoked to implement the flow field simulation and post-processing 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

0 引 言

搅拌设备在化工、食品、冶金、造纸、石油和水处理等行业中应用广泛.^［1］尤其是在化学工业中，搅拌釜式反应器(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解决的2个关键问题.目前，FLUENT公司已开发有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^［2］以珍珠岩颗粒和清水为材料，通过实验与数值模拟研究在3层桨叶作用下珍珠岩颗粒的分布规律，验证数值模拟的准确性；闵健^［3］、侯拴弟等^［4］、周国忠等^［5］、JAWORSKI等^［6］和王卫京等^［7］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，其日志文件(Journal)为FLUENT自动化处理提供支持.^［8］在被ANSYS公司收购后，FLUENT与ANSYS软件一道分别成为ANSYS公司旗下强大的流体和固体仿真软件.ANSYS软件在参数化建模^［9］方面有着独特的优势，使得ANSYS在众多CAE分析软件中独领风骚；而FLUENT软件本身不具备建模功能，通常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.

1 ANSYS几何建模

1.1 筒体及附件

筒体及附件结构可表示为：筒体+挡板或导流筒+上封头、下封头.筒体部分建模相对比较简单；而挡板设计中考虑矩形挡板和椭圆形挡板2种挡板形式，其参数包括挡板几何参数和位置参数.几何参数中对流场影响较大的是挡板的宽度；挡板的厚度（椭圆挡板为椭圆截面短径）按默认比例设置；挡板的高度通过位置参数控制，即挡板距离筒体底部和上端部位置进行设置；周向位置采用均布方式；轴向位置通过与筒体壁的距离进行设置.这样，挡板和导流筒的输入参数几乎一样，在VB中可采用同一界面进行处理.上、下封头可考虑平底封头、椭圆封头（圆形封头）以及锥台封头等.

1.2 搅拌器叶片

搅拌器叶片初步考虑目前常见的10余种叶片形式.^［1］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；叶片也可以多种叶片的形式组合安装，只要位置合适、不形成干涉即可.由此，每个叶片的输入参数除几何尺寸以外，还需几个位置控制参数：距底面高度、偏心距离、轴向安置角、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后，需以一个筒体将叶片包围并从整个模型中分割出来，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，可采用四面体自由网格划分.针对不同的区域，网格划分的密度可以不同，这样才能保证既有一定的计算精度，同时计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=[KF(S]3H×D2[KF)]（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[JB({][HL(2:1,1Z;2,Z]S1=Leq/N1，其他

S2=S1/N2，动网格区域

S3=S1/N3，叶片区域（2）式中：N1为总体尺寸划分数目，在软件中缺省设置为25，其确定整个网格划分中单元的大致数目；N2为动网格细分数目，在软件中缺省设置为2；N3为叶片区域网格细分数目，在软件中缺省设置为5.

1.4 建模中的对称性问题

大多数搅拌器的叶片通常安装在中心位置，具备周期性条件，可减少FLUENT运算时间.软件考虑周期性和非周期性2种情况予以设计.在设计中，程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.

2 FLUENT中流体及边界条件设置

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，推荐的流体为液-液-气三相，通常设最上层为气相，这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k-迥Ｐ停槐诿娌捎媒ü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.

(a)筒体区域组元(b)叶片区域组元图 1 组元名称

Fig.1 Component name

3 数据交换与模块间的交互

在软件设计中，涉及VB，ANSYS与FLUENT之间的数据交换和交互，其功能模块简图见图2.

图 2 功能模块简图

Fig.2 Function module diagram

3.1 VB与ANSYS之间的交互

当VB调用ANSYS进行建模计算时，需判断ANSYS是否运算完毕，以便进行后续工作.为此，程序设计在生成ANSYS的APDL程序段末尾加入2条语句：“*create,end_of_file,mac”与“*end”，以生成一个空的宏文件“end_of_file.mac”.VB依据文件夹中是否存在end_of_file.mac文件来判断ANSYS是否运行完毕.VB与ANSYS之间的数据交换主要用于在VB中实现图形预览功能.ANSYS批处理运行的语句为“ANSYS_path\\ANSYS120.exe -b -np -iinput_file -o output_file”，其中input_file即为VB中生成的APDL文件，output_file为输出文件，在此没有特定用途，可任意命名.-np为并行运算参数，p为并行运算的数目，对双核和四核CPU而言，其分别为-n2和-n4.ANSYS_path为ANSYS可执行文件的路径.在程序设计中ANSYS_path与p的数值通过读取环境变量进行自动设置.在VB运行外部程序时，只需一个Shell命令即可.

3.2 VB与FLUENT之间的交互

VB与FLUENT之间交互，不仅要实现图形预览功能，而且还要读取少量的文本数据，如计算完毕后扭矩数值、某截面的相分布数据以及计算前的边界条件设置等.同与ANSYS交互类似，VB也通过生成FLUENT的Journal（日志文件）来控制其运行、结果输出，然后在VB下实现结果的读取与显示.运行日志文件的语句为“fluent_path\\fluent 3d -hidden -tp -i input_file -o output_file”.其中，-hidden指定在运行FLUENT时前台不显示，-tp为并行运算参数，p为并行运算的数目.由于FLUENT运行时间较长，需实时显示FLUENT的运行进度，可通过读取FLUENT下生成的图形文件编号了解程序的运行情况以及判断程序是否运行结束.

3.3 ANSYS与FLUENT之间的数据交换

FLUENT提供与ANSYS的数据接口.在划分完网格并进行相关的设置后，通过在ANSYS中输入“Allsel,all”与“CDwrite, db, filename.cdb”2条命令来输出网格数据文件，然后在FLUENT中通过命令"/file/import/mechanical-apdl/input filename.cdb"实现网格读入操作.

4 运行实例

设计一个筒体，直径为1 m，直筒部分高为1 m；上端采用对称性设置，下端为平底封头；安装一圆盘涡轮式6折叶叶片，叶片外径500 mm，叶片高120 mm，叶片距离底部300 mm，中心安装折叶角为45°.考虑2种流体，其密度分别为998 kg/m3和950 kg/m3，黏度均为0.001 Pa•s；所占容积高度分别为600 mm和400 mm.不同转速时的相分布见图3.(a)初始状态第2相分布(b)收敛后第2相分布，n=100 r/min(c)收敛后第2相分布，n=125 r/min(d)收敛后第2相分布，n=150 r/min(e)收敛后第2相分布，n=175 r/min(f)收敛后第2相分布，n=200 r/min图 3 不同转速时相分布

Fig.3 Time-phase distribution under different rotation speed

为节约时间，采用几何对称及周期性边界条件，叶片取1/6，筒体取1/4.图形显示取在筒体对称面上.依据条件所设，筒体对称面上第2相初始分布状态见图3（a）.分别考虑n=100，125，150，175和200 r/min等几种转速运行情况，在运行收敛后，其相分布图分别见图3（b）~3（f）.可知，当转速n<150 r/min时，搅拌器中存在明显的分层现象，达不到混合均匀的效果；当转速n>150 r/min时,分层现象消失，转速越高，混合越好.同时，对各种转速提取其相应的功率，见表1.可知，随着转速的增加，转轴输入功率上升很快.为节约能源，不宜采用较高的转速.综合考虑，在假定模式下，转速宜选取为150~175 r/min.

表 1 转速与功率关系

Tab.1 Relation of shaft power and rotation speed转速/(r/min)100125150175200功率/W528.3 1 058.31 826.02 799.44 268.05 结 论

利用VB开发软件界面，生成ANSYS的命令流文件APDL，通过调用ANSYS后台完成搅拌器的建模和网格划分工作；然后生成FLUENT下的日志文件(Journal)，通过后台调用FLUENT完成搅拌器流场的数值模拟与结果后处理，并以图形和文本输出到VB开发的程序界面.与FLUENT公司开发的MixSim相比，该软件最大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.

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(编辑 于 杰)

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