生产工艺：CFD气-固-液相搅拌仿真的关键技术与行业解决方案

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：搅拌设备在化工、石化、制药、生物化工和环境化工等方面应用比较广泛。它是进行质量、动量和能量传递及化学反应（“三传一反”）的重要单元设备，除了能促进混合、传热和传质之外，还因搅拌设备操作条件（如浓度、粘度、温度、压力、停留时间等）的可控范围很宽，能适应多样化的生产过程。

2024年5月19日（周日）20时，由仿真秀主办《能源与工业装备仿真专题月》第二期线上讲座将邀请从事仿真二十多年，精通ANSYS结构、流体及流固耦合仿真，并进行针对性项目的二次开发及软件封装的仿真秀咨询服务专家——屠老师做《搅拌仿真的关键技术及行业解决方案》线上报告，感兴趣的朋友可以报名、收藏、分享和在文章下方留言。本文内容讲会在直播中讲解，欢迎朋友来直播间互动交流，支持反复回看。

一、搅拌分类

从物料相态形式，可以将搅拌分为以下几种类型：

1）互溶液体的搅拌

互溶液体的搅拌是两种或数种互溶液体在搅拌作用下达到浓度或密度或温度以及其他物性的均匀状态的过程，一般称为混合过程。为了强调其均相搅拌的特点，有时也称其为调和或调匀。

2）不互溶液体的搅拌

不互溶液体的搅拌目的有的是把分散相的液滴直径细化，以得到均匀地分散质，如制备悬浊液和乳化液；或者增大相间接触面积，进行萃取或化学反应等。

3）固-液相的搅拌

固-液相搅拌流动状态的共同要求，需要固体颗粒在液相中悬浮起来，又统称为固相悬浮问题。需要搅拌液流的上升流速等于或大于固体颗粒的沉降速度。固-液相搅拌的用途较广，包括制备均匀悬浮液、清除槽底沉积、促进固体溶解或固-液相反应以及过饱和溶液中析出晶体等。

4）气-液相的搅拌

气-液相的搅拌也叫充气搅拌。采用充气搅拌的目的，是使气体成为微细气泡，在液相中均匀分散，形成稳定的分散质；或是促进传质过程及气-液相反应发生。

二、搅拌设备设计开发中的问题

在许多工业过程的开发中，常常需要对这种搅拌设备进行设计和放大，而目前搅拌设备的设计与放大的传统方法是通过实验提出与全局平均值有关的经验、半经验关联式，以及决定一些全局无因次参数，如：功率准数、排除流量准数等，但这些关联式和全局参数不能对搅拌设备内复杂的湍流特性、混合的局部现象进行详细描述，也不能给出与传递过程耦合的流动细节。

目前已有一些实验测量仪器，可以测取搅拌设备内局部的速度分量、湍动动能、分相含率等参数，但由于流的不稳定性、叶轮叶片几何结构的复杂性、流体微元间的相对运动以及高昂的仪器费用等多种因素使得定量测量、流动可视化变得费时、耗资。另外这种方法目前也只能测量实验室小尺度的设备，而对于工业尺度设备的测量不太可行。

而采用计算流体力学（CFD）能有效解决此类问题，下图为基于CFD对搅拌设备的设计与扩大：

三、采用CFD助力搅拌设备研发

采用CFD软件进行问题求解时，首先对需要模拟的对象有一个整体上的分析，明确求解模型，选择计算模型和物理模型，决定求解过程，根据模型特性，有针对性的制定求解方案。

对于搅拌模拟，几个难点及要点包括：

1）湍流模型的选择依据，

2）材料物性的定义，

3）多相流模型的选择，

4）动静区的耦合方法及运动设置，

1、湍流模型选择

在数值模拟过程中， FLUENT软件可提供多种湍流模型。从物理角度看，RSM 模型是最完善的模型，但是对计算机内存及 CPU 要求非常高，不予考虑。k −ε模型与k −ω模型计算时间相同，其中k −ε模型适用范围广、并且较为经济，同时有合理的精度，但用于强旋流、弯区壁面流动时会产生一定的失真，为了弥补这一缺陷，在标准k −ε模型基础上又提出了改善的RNG k −ε模型和Realizable k −ε模型。k −ω模型考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播，可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。

2、搅拌物料流变特性

流变性是指物料在外力作用下发生形变和流动的性质，表示物料剪切应力、剪切速率以及时间三者的关系。可以将流体分为如下图所示的四类。其中塑性流体、假塑性流体以及膨胀性流体均属于非牛顿流体。牛顿流体的剪切力与速度梯度呈线性关系，即剪切速率是与时间无关的流体；而非牛顿流体则是指其剪切力与速度梯度存在非线性关系的流体。

（1-塑性流体，2-假塑性流体，3-牛顿流体，4-膨胀性流体）

我将在仿真秀官网的直播课中讲解具体设置方法（见下文）。

3、多相流模型

FLUENT包括以下的多相流模型

需要注意的是，在气液多相流中，多采用群平衡模型PBM可对设备内的气含率、气泡尺寸分布进行预测。

动图将在仿真秀官网的直播课中讲解对应的多相流设置（见下文）。

4、化学反应

对所有反应都采用有限速率方法进行设置，采用阿累尼乌斯方程：

其中：K为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为指前因子。选取特定的指前因子和活化能对方程反应系数进行设置。系数的来源一般是通过如下图所示的试验结果进行系数拟合：

动图我将在仿真秀官网的直播课中进行详细讲解（见下文）。

5、动静区耦合方法及运动设置

多重参考系法(MRF)和滑移网格法(SM)是目前较为广泛的计算搅拌设备流场的方法。后者对计算机内存资源要求较高，前者则计算较为高效，且可以获取到最终的流场分布结果。

另外，我在仿真秀官网的直播课中还将讲解上述两种与单参考系（SRF）、动网格、重叠网格（OVERSET）等方法的精度及设置方法的对比。

运动设置可以采用用户自定义函数（UDF）也可以采用表达式进行转动及运动的设置，如下为既有公转又有自转的运动部件，动图将会在仿真秀官网的直播课中进行展示：

四、搅拌仿真案例公开课

5月19日（周日）20时，我将在仿真秀主办《能源与工业装备仿真专题月》第二期线上讲座做《搅拌仿真的关键技术及行业解决方案》线上报告，本次直播我将分享以下五个案例。

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五、能源与工业装备仿真交流月

能源与工业装备作为现代工业体系的两大支柱，其未来发展趋势将更加注重绿色、智能、高效。随着技术的进步和政策的推动，能源结构将进一步优化，工业装备将朝着更加智能化、自动化的方向发展。同时，新能源装备制造将成为未来的重要发展方向，为清洁能源产业的发展提供有力支持。

仿真技术在能源与工业装备行业的应用价值主要体现在提高能源传输效率、促进可再生能源集成、推动智能电网建设、缩短产品研发周期、提高设计精度和效率、提高生产效率和产品质量以及提高安全性等方面。随着技术的不断发展和应用，仿真技术将在能源与工业装备行业中发挥越来越重要的作用。2024年5月11日到6月30日，仿真秀将主办能源与工业装备仿真技术交流月，围绕螺栓校核、集装箱储能、尺寸公差、齿轮箱计算分析、风力发电力学问题分析、转子动力学应用、超单元技术、连接器的多物理场耦合仿真和管道应力分析应用组织10场线上讲座，感兴趣的朋友进识别下方二维码进群报名直播，支持反复回看和交流。

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