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工业搅拌器的数字孪生——3D CFD模拟的应用实例分析

浏览次数: 发布日期:2019-07-11 17:44

列管式换热器(列管式冷凝器)专业生产厂家无锡天骥化工2019年7月11日讯  如今,计算流体动力学(computational fluid dynamics, 简称CFD)被广泛用于各类学科和工业之中。有效地利用CFD,能使大家在客户的实际规模上进行设备优化,还可以更深刻地理解最高效的工艺设计和设备设计常识,同时减少实验室进行小试实验的必要。

对CFD较为陌生的同学或许会问,究竟什么是CFD?维基百科告诉大家,CFD即是使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解,从而预测流场的流动。最近工业界有个很红火的概念,叫做“数字孪生”,即通过数字技术将工业现象投射到计算机内,创造出一个数字化的孪生兄弟。而CFD,其实就是工业搅拌现象的数字化映射。工业搅拌器的设计,会涉及到石油化工、水以污水处理、矿业、发酵等各行业,然而无论其行业如何,搅拌的本质无外乎是固体悬浮、低粘度搅拌、高粘度搅拌、气体分散这四类或其相互交叉。而CFD可将这些现象,以其实际的规模放到计算机中做出映射,如实体搅拌器的数字化孪生兄弟一样,进而实现:

 

1. 罐内流型可视化

2. 具体数值分析(任一点的速度、流量、压强、温度等,桨叶的扭矩、排出流量、功率等)

 

因此通过CFD模拟,整个搅拌就从不透明的不锈钢罐或水泥罐中,毫无保留地展现在大家化学工程师们的电脑屏幕前,从而使大家可以更加便捷地进行叶轮设计优化、搅拌工艺和机械设计标准改良等等。

 

在这里不得不多提一句的是,由于多相的CFD模拟往往会使计算时间大大增加,以及多相模拟的数学理论模型的缺失或模型假设与实际现象偏差太远等原因,CFD运用于工业搅拌器的设计时中往往是对单一液相进行模拟,但会对流体的比重、可压缩性和具体的流变性进行充分定义。另外,运用CFD技术来对实际规模的工业搅拌器进行模拟,前期必须要有大量的实际案例和经验来对比实际结果和CFD的结果,从而验证CFD的方式方法,否则CFD模拟哪怕做得再好看,也仅仅是空言无补,没有实际意义。

 

下面就让大家通过一个相对简单的实际案例,来看一下3D CFD模拟是如何应用于实际的搅拌器设计工作中。在此由于篇幅关系,大家暂时略去3D建模和网格划分的细节,仅列出方式方法以供参考:

 

建模AppANSYS Design Modeler / Meshing R18.0

运算AppANSYS Fluent R18.0

模型Realizable K-Epsilon turbulence model (RANS approach) with pressure based Navier Stokes double precision solver

桨叶区multiple reference frame (MRF) steady state approach

收敛约4000 iterations.  E-03 for continuity and E-04 for all other variables (velocity, K, epsilon)

 

此项目背景为:某一储存罐搅拌器安装年限已久,罐内常有固体沉积,未来固含量依工艺要求会再提高约3%,因此客户要求对搅拌设备进行改造来改善固体沉积,并可使罐内自上而下混合均匀。目前搅拌设备电机功率10kw,要求改造后设备功率尽量不超过10kw。

 

CFD的模拟思路往往是相通的——首先对升级前的搅拌器进行模拟,得到目前罐内和罐底部的流场、流速,以作参考基准。然后模拟升级后的搅拌器,与原有搅拌效果进行对比。

 

列管式换热器,搅拌式反应釜,列管式冷凝器

Fig. 1 数十年前的安装图纸

 

 

如上图所示,罐体直径:11m;封头形状:平底

罐内流体性质:

比重:1.32-1.41

粘度:100-200 cp,牛顿流体

 

 

改造前后搅拌器参数对比

 

改造前

改造后

桨叶

3个6100mm细长桨叶

2个3300mm高效轴流桨叶

转速 [RPM]

3

20

电机功率

10kw

10kw

挡板

添加三片挡板

 

下图2是CFD模拟结果中典型的一种,速度云图,其颜色代表速度大小,黑色三角箭头代表速度方向。图3为示踪粒子流线图,颜色代表示踪粒子由指定的释放位置到图示位置所需要的时间。由此二图可知,现有搅拌设备产生的是整罐打旋的流型,绝大多是切向流,因此固体极易堆积在罐底部中央区域。为改善固体堆积情况,罐底流速需提高,且需形成两侧向上“提拉”的轴向流型。

 

列管式换热器,搅拌式反应釜,列管式冷凝器

Fig. 2 速度云图- 改造前

 

列管式换热器,搅拌式反应釜,列管式冷凝器

Fig. 3 流线图- 改造前

 

由图4、5可见,改造后的搅拌器可形成从液面到罐底的自上而下的翻转,是典型的轴流桨流型。其高速区集中在罐底部和角落,可以很好地避免固体沉积。而且改造后示踪粒子仅需约200秒即可从罐底到达液面,与改造前相比,相同时间内示踪粒子只能在桨叶附近打旋徘徊。

 

列管式换热器,搅拌式反应釜,列管式冷凝器

Fig. 4 速度云图- 改造后

 

列管式换热器,搅拌式反应釜,列管式冷凝器

Fig. 5 流线图- 改造后

 

由图6罐底部速度云图的对比可见,改造后的罐底速度远高于现有设备,再次证明固体沉积现象会大大减少。

 

列管式换热器,搅拌式反应釜,列管式冷凝器

Fig. 6 罐底部速度云图- 改造前后对比

 

总之,根据搅拌器改造前后CFD模拟结果对比,改造后的搅拌器可以明显提高储存罐底部流速,整体流动性也得到了提高,因此固体沉积现象可获得很大改善。更重要的是,在客户依据模拟结果更换搅拌器、对罐体添加3块挡板之后,实际搅拌效果的反馈与模拟结果相符很好,在固含量增大之后,也未见罐底有固体沉积现象。

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