“面多了加水，水多了加面？”搅拌过程预测方法来了！

搅拌是工艺流程中的一项常见操作，通过不断的搅动和混合，搅拌对象的组分、温度、浓度等的非均匀性降低，从而达到工艺所需的结果。动力电池电芯前段工艺的四个主要环节之一就包括了搅拌过程（其他的是涂布、锟压和分切），正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过搅拌形成浆状供后续工艺使用。加料比例、加料时间，以及搅拌速度、过程温度控制都需要严格按照工艺要求进行控制。搅拌过程中的质量传递、热量传递、反应过程等都是产品特性相关的控制因素。

根据工艺目标，通常搅拌过程可以分为如下种类：

通过仿真手段可以对搅拌过程复杂的流体-颗粒交互作用进行数值预测，本例以固液悬浮搅拌器为例，演示如何使用Ansys Fluent和Ansys Rocky双向耦合进行建模，对某固液悬浮搅拌过程进行仿真，仿真的结果可用于分析搅拌效果的影响因素，如液体物性、固体颗粒物性（密度、粒径、形状、硬度、摩擦等）、工艺操作条件（如粒子浓度、体积分数等）、搅拌器几何参数（槽径、槽底形状、搅拌器形状与安装位置等）和搅拌条件（如转速等）。

（1）启动Ansys Rocky，新建仿真项目：菜单栏File  New Project；

（2）设置项目名称：选中树形图主节点，在Data Editors Study  Study Name: 输入Mixing Tank；

（3）设置物理模型：Physics: Coarse-Graining: 勾选Coarse Grain Modeling

（4）激活CFD耦合模块：Modules: 勾选CFD Coupling Particle Statistics；

（5）在树形图中选中Modules并展开，选中CFD Coupling Particle Statistics，勾选Drag Force和Pressure Gradient Force；

（6）导入几何数模，在树形图中右键点击Geometries节点， 选择“Import Geometry”，在弹出的选择窗口中选择“Mixing_Tank_ini.cas”

（7）保存Rocky计算数据，在弹出的窗口中选择保存路径，设置文件名“mixing_tank_particles.rocky”，点击保存按钮。

（8）在弹出的对话框中，保持现有输入不变（使用默认单位m），点击OK按钮。

（9）导入的数模包含多个边界，本例中有三个是不需要的，接下来进行删除，它们是“interface_mr”, “interface_tank”和“openting”，选中（Control+左键）这三个对象，右键选择“Remove Geometries”完成删除。

（10）创建入口，右键点击Geometry节点，选择“Create Inlet”；

（11）设置入口的属性，选中新创建的Inlet<01>，在Data Editors窗口中，设置

a)Type：Circular Inlet

b)Centre coordinates: 0 0.125 0

c)Min Radius: 0.008 m

d)Max Radius: 0.07 m

（12）查看导入数模，菜单栏Window：New 3D View，打开图形窗口，所有Geometry对象会出现在窗口中（用户可以在图形窗口右键点击空白位置，调整背景色和边界范围轮廓线）；

（13）修改边界对象透明效果，在树形图中选择Geometry walls，在Data editors中选择Coloring面板，勾选Transparency；

（14）修改默认颗粒材料。在树形图中，选择Material并展开，选择Default Particle，修改如下属性：

a)不勾选 Use Bulk Density

b)Density：1100 kg/m^3

c)Young’s Modules: 1e+6 N/m^2

（15）接下来创建一种新颗粒材料，设置不同材料属性。右键点击“Dafault Particles”，选择“Duplicate”，选中新创建的颗粒“Default Praticles <01>”，修改如下属性：

a)Density：1300 kg/m^3

（16）创建颗粒，在树形图中选择Particles，右键选择“Create Particle”，选择新创建的颗粒Particel<01>，修改如下属性：

a)CGM Scale Factor: 3

b)Size: 0.0005m (& Cumulative: 100%)

（17）再创建一种颗粒，在树形图中选择Particles，右键选择“Create Particle”，选择新创建的颗粒Particel<02>，修改如下属性：

a)Material: Default Particles<01>

b)CGM Scale Factor: 3

c)Size: 0.0005m (& Cumulative: 100%)

（18）设置颗粒注入方式，选择树形图中的Inputs，右键选择“Create Continuous Injection”，选择新创建的Continuous Injection <01>，修改如下属性：

a)Entry Point: Inlet<01>

b)Particles：新建两组颗粒，在下拉框内，分别选择Particle类型为Particle<01> 和Particle<02>，两组均设置Mass Flow Rate为0.15t/h

c)Time: Stop: 1s

（19）在树形图中选中CFD Coupling节点，设置Coupling Mode: Fluent，在弹窗中选择Fluent的case模型，这里选择“Mixing_Tank_ini.cas”，Rocky自动开始对导入模型进行验证，并弹窗进行过程提示

Figure 1弹窗提示

（20）在树形图中CFD Coupling节点下，选中2-Way Fluent，进行如下设置：

a)切换到Interactions设置栏：勾选 “Turbulent Dispersion”

b)切换到Fluent设置栏，进行如下设置: 

i.Rocky Phase: phase-3； 

ii.勾选“Use Data Initialization”

iii.点击“Import file”,选择Fluent的dat文件，这里选择“Mixing_Tank_ini.dat”

iv.Execution mode: Local Parallel

v.Solver Processes: 8

vi.取消勾选 “Keep all files”

vii.Files to keep: 2

viii.Additional Args: -g

（21）确认参考坐标系。加载Fluent模型之后，在树形图Motion Frames节点下，可以看到会生成一个新的子节点“movingregion” Motion Frame；

（22）在Data Editors栏中的显示如下图，Rocky会自动将设置冻结（不能变更），以确保耦合时Rocky一侧采用和Fluent完全相同的运动；

（23）设定几何对象的运动，选中并展开树形图Geometries节点，对如下对象做设定：

a)选择impeller，在Geometry设置栏，设置Motion Frame：“movingregion” Motion Frame；

b)选择shaft，在Geometry设置栏，设置Motion Frame：“movingregion” Motion Frame；

（24）求解器设定，选中树形图中Solver节点，做如下设定：

a)Solver: Time:  Simulation Durations: 3s

 b)Solver: Time:  Output Frequencies: Fluent Outputs Multipller: 2

c)Solver: General:  Simulation Target: CPU

d)Solver: General:  Number of Processors: 8

（25）提交计算：在Solver栏目，点击Start按钮即可启动计算，Rocky会弹窗提示初始化信息（如下图），弹窗自动关闭后，计算正式开始运行（Fluent也将以批处理方式同步被启动）。

（26）计算结果实时查看：在Rocky计算运行过程中，用户可以点击Refresh按钮，加载最新计算结果，并通过图形窗口实时查看，也可以勾选“Auto Refresh”选项，Rocky会实时加载最新计算结果。