“面多了加水，水多了加面？”搅拌过程预测方法来了！
概述 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：均相混合：两种或多种互溶液体的混合，物理过程；液液分散：不互溶的两种或多年各种液体之间的分散；气液分散：气体呈微小气泡分散于液体中，可用于促进气体与液体之间的反应；固液悬浮：使固体颗粒悬浮于液体中，形成固液混合物或悬浮液；固体溶解：将固体溶解于溶液中；结晶：饱和状的混合液中借助搅拌使组分结晶析出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）。 模型介绍 本例模拟的现象是搅拌罐中发生的固体颗粒、空气和水之间的搅拌混合过程，搅拌器桨片以给定速度旋转，固体颗粒采用注入方式加入。使用Fluent对空气和水的流动进行计算仿真，使用Rocky对颗粒运动进行计算仿真，采用双向耦合方式实时更新颗粒和流场信息。关于Fluent的相关设定不在本文中介绍（文末下载），Rocky加载的几何数模使用Fluent的case格式模型。本例搅拌器包含三个部件：（1）搅拌罐外壳；（2）搅拌轴；（3）搅拌器桨片（如图所示）。 Ansys Rocky设定过程 （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 Inletb)Centre coordinates: 0 0.125 0c)Min Radius: 0.008 md)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 Densityb)Density：1100 kg/m^3c)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: 3b)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: 3c)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/hc)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 Parallelv.Solver Processes: 8vi.取消勾选 “Keep all files”vii.Files to keep: 2viii.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: CPUd)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。 来源：艾迪捷
