基于CFD仿真的恒温槽桨叶结构优化研究
时间：2022-12-08 17:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
韩吉庆，胡国星，林 帅，张 坤，蔡 晨，冯典英，冀克俭
(中国兵器工业集团 第五三研究所，山东 济南 250001)
恒温槽的使用范围广泛，主要应用于航天、化学、电工产品和生物等科学领域，可根据具体实验调节所需温度。恒温槽的性能往往成为流体热物性研究的关键[1-2]。恒温槽的温度波动性和均匀性是评价其性能优劣的重要指标[3]。这些要素由恒温槽结构设计所直接决定，而恒温槽的结构设计主要来源于大量的实验与测试，通过人为经验进行设计，需要耗费大量的精力和物力。甄瑞英等[4]对大容量液体恒温槽温度场和流场进行了数值模拟，发现不同搅拌器转速、搅拌器叶片角度及整流栅孔隙率等参数对恒温槽性能有较为显著的影响；
赵岩等[5]对影响恒温槽灵敏度的两个主要因素，即搅拌和冷凝，做了细致的考察，发现搅拌对温度均匀性有重要的影响，冷凝对温度波动性有重要的影响；
宋占表[6]通过数值模拟分析了一种混合区和工作桶区分离的恒温槽性能，研究结果表明：当工作桶内流体流速为0.15 m/s时，在桶高20～50 cm区域内可满足恒温槽温场计量特性的要求。朱向哲等[7]利用k-ε湍流模型预测结果表明流体温度受流场影响，随着搅拌时间的增加，槽内温差逐渐减少，温度分布趋于均匀。
现阶段的恒温槽内部搅拌桨结构设计多凭借工程经验完成，人们对恒温槽内部流场规律、搅拌过程中传热机理缺乏了解，还需进一步深化研究。本文利用计算流体力学对某型的恒温槽内置搅拌桨结构进行仿真优化，相关成果可为后续恒温槽的整体结构优化、结构设计与应用提供理论指导与技术支持。
随着计算机水平的发展，数值模拟的方法已被广泛应用到对化工过程机械的研究当中，能降低研制周期和成本，节约设计、试验时间[8]。本文利用ANSYS18.2进行数值计算，并利用CFD-Post实现后处理。CFD软件的使用大大减少了对流体动力学实验设备的投资，在传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应方面起到了重大的指导作用，并被广泛用于车辆设计、航天设计、工业上的化工处理和生物医学等诸多工程领域[9]。
1.1 几何模型
本文研究的恒温槽采用搅拌区与工作区分离的设计方案，中间设置有挡板，工作区底部安装有整流栅结构，如图 1所示。其长、宽、高分别为490、400和700 mm。本文主要讨论不同搅拌桨结构、搅拌桨安装高度(100、150、200、250、300、350、400 mm)、搅拌桨叶片倾角(15°、30°、37.5°、45°、60°、75°)、搅拌桨桨径(60、70、80、90、100 mm)、搅拌桨叶宽(10、20、30、40、50 mm)对恒温槽温度均匀性的影响。本文所搭建模型对外壳以及整流栅区域进行简化，保留流动区域，缩短计算时长。
图1 恒温槽结构示意图
1.2 求解器设置
恒温槽内流场与温度场的瞬时变化对恒温槽设计影响较小，因此，本文采用稳态迭代方法进行计算。对恒温槽内流场做出以下假设：①流体为常物性不可压缩流体；
②流动为稳态流动；
③不考虑黏性耗散和体积力[10]。为了更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大地流动，本文计算中采用RNGk-ε模型计算[11]，具体方程如下：
(1)
(2)
式中:Gk为速度梯度湍流动能，J；
Gb为浮力湍流动能，J；
YM为过渡扩散波动，mm；
ak，aε为湍流Prandtl数。
采用多重参考系法(MRF)[12]模拟搅拌桨叶的转动过程，将计算流域划分为热源区域、动流域和静流域。通过交界面设置，实现动流域和静流域两个区域的动量与能量交换；
采用流固耦合传热模型(Couple)模拟电阻丝加热过程，将热源区域与流动区域交界面设置为流固耦合面，利用源项设置模拟热源持续对外传热。
轴流搅拌桨叶设置为绝热、旋转运动壁面边界条件；
热源面设置为耦合壁面边界条件；
其余表面为无滑移、对流壁面边界条件。计算方法采用Couple方法，有利于提高计算结果精度；
方程收敛残差条件除能量方程设置为1×10-8外，其余方程残差设置均为1×10-6；
初始化条件将温度设置为300 K。
1.3 网格划分
为了增加计算精度与计算速度，本文在网格模型进行多面体(Polyhedral grid)划分处理。此外，还对网格采用全局网格控制，利用高级尺寸功能调整网格精度，以提高热量交换结果精度。网格的数量对数值计算的精度以及计算速度有重要的影响。因此，在进行计算前，需要对网格无关性进行验证[13]。本文对4种不同数量的网格模型进行了数值计算，以网格1计算所得恒温槽内部的平均温度T1为基准，分别求出不同网格数量下的相对平均温度，结果如表1所示。由表1可知，网格数量对恒温槽工作性能影响较小，因此本文均采用网格1的网格尺度。
表1 网格无关性验证
1.4 桨叶选型
本文的研究内容为稳态条件下恒温槽温度场性能，不同搅拌器和搅拌条件达到热平衡时做功不同，因此各条件下的热平衡温度不同，但其并不影响温度场性能分析[14]。
搅拌桨是恒温槽的核心部件，其通过桨叶的旋转向流体输送运动所需的能量，并形成流场，实现搅拌功能。桨叶的几何结构因搅拌操作的不同，展现多元化趋势。根据流场结构搅拌桨主要分为径向流桨叶和轴向流桨叶。轴流桨叶排出流方向与搅拌轴平行，排出流到达底部后，又向上流动形成整体循环，这种叶轮因其可以提供强的循环作用，有利于均匀混合、传热、化学反应等过程，在液-液体系和固-液体系中得到广泛应用[15]。要使搅拌达到所预期的要求，就必须选择适当的叶轮型式，设计出符合流动状态特性的搅拌器[16]。结合恒温槽的特性，本文主要研究轴流桨叶。基于恒温槽工业设计要求中便于制造与修正两大原则，选择以叶片表面类型划分的三种桨型，斜叶桨、翼形桨以及曲面桨进行研究。基于各类型桨叶的特点，结合恒温槽的特点，参考HG/T 2124—1991《浆式搅拌器技术条件》[17]进行模型建模与数值计算，发现三种桨叶均符合研究要求，有较为优越的流场性能；
但结合参数优化简便性，制造简便性的研究要求，最终选定结构参数更为简单，拥有更好均匀流动性能的斜叶桨进行数值模拟分析。
2.1 流场分析
本文对未安装整流栅结构恒温槽内部流场进行分析，了解恒温槽内部流动方式及流体传热机理，以求提高对恒温槽内部特性的了解，并为后续整流栅设计提供一定参考价值。图2为恒温槽内部温度场与速度场分布图及流线图。
由图2可知，流场呈顺时针趋势分布，与实际情况较为符合。由于挡板的存在，流场呈现冲击上升流的形态，流体从挡板与壁面空隙进入工作区，对底层进行冲击，聚集于底层，再从底层沿直线上升；
恒温槽内液体温度场呈区域化，可明显看出温度场与流体的流动、流体间的对流传热及壁面的阻挡相关；
恒温槽的近挡板区域，流经的流体为低速流体，且流线较为分散，多为回旋流，因此在整流栅设计中，所设计结构应具备使流体聚拢于近壁面区的功能。
图2 恒温槽数值模拟结果
2.2 模型结果验证
本文依据JJF 1030—2010《恒温槽技术性能测试规范》[18]规定方法，对安装有特殊整流栅结构的恒温槽进行温度均匀性检验，将测试温度设置为45 ℃，测试位置为：O(中心位置)、A、B、C、D、E、F、G和H点，如图3所示。其中最大温差为-tIDmax-tIDmin，I为A～H任意点。
图3 测试点示意图
根据建立的模型对恒温槽进行性能测试，计算出各点温差值，并将其与实验数据进行对比，结果如图4所示。
由图4可知，由于流体密度、传热系数等因素的影响，使得恒温槽模型仿真性能测试结果与实际性能测试结果之间存在一定偏差，但其温差分布符合实际规律，因此可认为该偏差在本文优化计算中属于可接受的误差范围。
图4 恒温槽仿真与实验性能测试值得对比
2.3 桨叶结构参数优化及其对温度均匀性的影响
本文选取距离整流栅安装平面高度分别为100、200、300、400、500 mm且与壁面相距10 mm的五个工作区水平面为研究平面，图5为五个工作区水平面的温度场云图结果示例。
图5 研究平面温度场云图示例
本文以符合轮毂半径要求(<16 mm)的标准桨叶为基础，按照影响程度，分步对结构参数进行优化。图6展示了不同结构参数对工作区水平面温度均匀性的影响结果。分析如下:
(1)轴流桨叶的安装高度是影响流场分布的关键因素，也是本文主要研究因素之一。分别模拟标准轴流桨叶在离底安装高度为100、150、200、250、300、350、400 mm下的恒温槽运行过程，分析工作区水平面的温度均匀性能，得到图6(a)所示结果。
(2)可知轴流桨叶的倾角对内部流场混合性能有较大影响[19]，选出上一步骤中所得最优解模型，分别模拟叶片倾角设置为0°、15°、30°、37.5°、45°、75°下的恒温槽运行过程，分析工作区水平面的温度均匀性能，得到图6(b)所示结果。
(3)搅拌槽内宏观流场受槽径比影响较大[20]。选出上一步骤中所得最优解模型，分别模拟桨叶桨径设置为60、70、80、90、100 mm下的恒温槽运行过程，分析工作区水平面的温度均匀性能，得到图6(c)所示结果。
(4)选出上一步骤中所得最优解模型，分别模拟叶片宽度设置为10、20、30、40、50 mm下的恒温槽运行过程，分析工作区水平面的温度均匀性能，得到图6(d)所示结果。
图6 不同结构参数对工作区水平面温度均匀性的影响
结合图6(a)及其对应流场分布特性可知，桨叶的安装高度对所设定工作区水平面的温度均匀性有较为显著的影响，其主要是由于不同安装高度所带来的不同流场结果所导致的；
从图6(b)可知，相同条件下，所设定工作区水平面的温差随着桨叶倾角的增加而减小，但桨叶倾角为60°的搅拌桨各平面温差明显大于桨叶倾角为45°的搅拌桨，说明搅拌桨叶片倾角并非越大越好；
从图6(c)可知，在相同条件下，所设定工作区水平面的温差随着桨叶桨径增加而减小，说明桨叶桨径增加对恒温槽温度均匀性提升有良好的效果；
从图6(d)可知，在相同条件下，所设定工作区水平面的温差随着叶宽增加而下降。桨叶性能的优劣不单单通过工作区水平面温度均匀性来衡量，还与其他因素有关；
根据流场分析，部分桨叶结构输送液体循环量较小，导致强制对流换热效应减弱，带来更小的温度均匀差。因此，综合考虑上述影响规律，选择出安装高度为150 mm、叶片倾角设置为45°、桨叶桨径设置为90 mm、桨叶叶宽设置为30 mm的斜叶桨为最佳桨叶。
2.4 温度均匀性检验
根据上文所述的测试方法，对安装有最优桨叶结构的完整恒温槽装置进行仿真结果检验，检验结果见表2。由检验结果可知，恒温槽的温度均匀度为1.44 mK，恒温槽工作性能良好。
表2 恒温槽工作区均匀度检验结果
本文从计算流体力学理论出发，提出了一种恒温槽计算模型，通过对不同结构参数的轴流桨叶进行仿真优化，研究它们与恒温槽内温度均匀性能以及流场分布的关系，得出以下结论：
(1)通过对恒温槽内部流场分析可知，在后续整流栅设计中，所设计结构应具备使流体聚拢于近壁面区的功能。
(2)工作区水平面温差的温度均匀性不能完全体现桨叶性能的优劣，根据流场分析，部分桨叶结构输送液体循环量较小，导致强制对流换热效应减弱，带来更小的温度均匀差。因此在设定的结果中选择出离底距离为150 mm、叶片倾角设置为45°、桨叶桨径设置为90 mm、叶片宽度为30 mm的斜叶桨为最佳选择桨叶。
(3)通过恒温槽工作区性能试验检验可知：
采用数值模拟研究结果的恒温槽，其温度均匀性为1.44 mK，满足本文所研究的温度均匀性小于0.01 K的要求。
