1 前言
潛水攪拌器是一種新型、的潛水攪拌和推流裝置，主要被用于使介質(zhì)均化，產(chǎn)生懸浮液流以及保持介質(zhì)水平流動的一般工農(nóng)業(yè)過程中，如：污水處理中的平衡池、活性池、消毒池；工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生物反應(yīng)、管道煤氣脫硫、飲用水處理等等。在上述各種過程中，葉輪的攪拌和推流起到重要的作用，不同類型或參數(shù)的葉輪所造成的攪拌和推流效果差別很大。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)以其速度快、經(jīng)濟性好以及能提供全流場信息細節(jié)的優(yōu)點在攪拌設(shè)備的開發(fā)和設(shè)計中受到重視。利用FLUENT軟件對葉輪直徑360mm,轉(zhuǎn)速1430r/min的潛水攪拌器攪拌流場進行CFD分析，旨在揭示其內(nèi)部流動的規(guī)律，為其優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)信息。
2 控制方程
3 邊界條件
3.1 進口邊界條件
3.2出口邊界條件
3.3固壁邊界條件
固壁上滿足無滑移條件：。流壁面條件采用壁面函數(shù)邊界條件。在接近固體壁面區(qū)，壁面迫使流動產(chǎn)生較大的速度梯度，適應(yīng)于湍流充分發(fā)展的湍流模型在此區(qū)域需進行修正。
3.4壓力邊界條件
固壁壓力取第二類壓力邊界條件：
4 求解技術(shù)
控制方程使用有限體積法進行的離散，采用二階迎風格式?？刂品匠滩扇》蛛x式求解器隱式方案進行求解，選用SIMPLEC算法。
5 計算結(jié)果及分析
5.1 攪拌流場分析
如圖1所示，雖然攪拌流場的三維流速矢量分布比較混亂，但還是可以從立體空間的角度感受其攪拌流場的大致形態(tài)?？梢钥闯觯阂后w一方面被高速旋轉(zhuǎn)的葉輪“甩出"，另一方面還受到葉輪的擠壓作用，因此在葉輪附近形成高速流動區(qū)，速度值較大，并且?guī)в休^強的軸向分量。也就是說，利用升力線、升力面理論產(chǎn)生旋向射流，以中心較快速度向外做擴展運動。
為了更清晰、準確地描述攪拌流場的流動情況，對攪拌流場進行沿軸面和軸截面方向進行剖面分析即截取空間流場的截面來更準確地分析攪拌流場的情況。按軸面方向剖分截面取兩個葉片后所得到的速度矢量分布和流線分布，如圖2、圖3所示。從圖中能夠比較清楚地看出潛水攪拌器攪拌流場的速度分布情況。
從圖2中可以看出，葉輪出口外側(cè)有一定的旋向射流場，這與潛水攪拌器的攪拌原理是一致的。即，攪拌器葉輪在電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)攪拌液體產(chǎn)生旋向射流，利用沿著射流表面的剪切應(yīng)力來進行混合，使流體以外的液體通過摩擦產(chǎn)生攪拌作用，在極度混合的同時，形成體積流，應(yīng)用大體積流動模式得到受控流體的推流輸送。為了更清楚地來描述攪拌流程的速度矢量，對攪拌流場沿推進方向的橫截面進行截取，截面位置選取在距離進口邊1m的位置，其速度矢量分布，如圖4所示。在潛水攪拌器推進方向上的速度矢量是向四周發(fā)散的，這與軸面的流動情況一致，即匯聚成體積流后，再利用剪切力的作用使受控體積沿攪拌推進方向運動。從軸截面流線分布圖，如圖5所示。不難發(fā)現(xiàn)該截面上的速度流線是安裝空間上類似圓形分布，等速度地向前攪拌推動液體，達到受控體積的流動和輸送。
5.2不同安裝深度對攪拌流場的影響
由于潛水攪拌器的安裝定位具有很大的靈活性，結(jié)合工程實際（江蘇某污水處理廠攪拌池），就安裝深度（即葉輪外徑距離池底0.1m）的兩種情況進行計算分析，如圖6、圖7所示。
從圖6、圖7兩組對比圖中可以看出：流場的基本形態(tài)和運動規(guī)律大致相同，不同之處在于，接近池底安裝的潛水攪拌器在池底面形成高速流動區(qū)，對池底進行射流沖刷，這將有助于防止池底固體顆粒沉積，對池中介質(zhì)進行均質(zhì)處理。
5.3不同輪轂比對攪拌流場的影響
輪轂直徑與葉輪直徑之比稱為輪轂比，是潛水攪拌器葉輪設(shè)計中的重要參數(shù)，其大小的選取對潛水攪拌器的水力性能和抗汽蝕性能有著重要影響，故改變潛水攪拌器葉輪的輪轂比，根據(jù)經(jīng)驗的設(shè)計理論和方法分別取0.2,0.3,0.4，分析其對攪拌流場的影響，如圖8、圖9所示。
通過圖8、圖9兩組對比圖的分析比較，可以看出：輪轂比小的攪拌器葉輪對攪拌流場的推進速度較大，而且分布也較均勻，總體效果較好。但與此同時，輪轂小的攪拌器在葉輪處的旋渦也較大，這對潛水攪拌器的攪拌效果也有一定的影響。因此，在今后的設(shè)計過程中，需適當?shù)剡x取潛水攪拌器的輪轂直徑，這對潛水攪拌器攪拌推流的速度大小和分布都有一定的影響。
6 結(jié)束語
對潛水攪拌器流場的數(shù)值模擬結(jié)果表明：攪拌器葉輪運行時產(chǎn)生旋向射流，按照類似橢圓形的等速度線向前推進；接近池底安裝的潛水攪拌器有助于防止池底固體顆粒沉積，對池中介質(zhì)進行均質(zhì)處理；輪轂比小的攪拌器總體的推進速度較大，且分布較均勻。上述研究結(jié)果對潛水攪拌器的實際工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。
