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摘 要：建立了一个工业分解槽的计算流体力学CFD模型，采用稳态多重参考系法以及欧拉-欧拉多相流模型对槽内固液两相搅拌过程进行数值模拟计算。分析了流体速度分布、颗粒相分布以及搅拌功率变化过程。
关键词：分解槽 数值模拟 多相流
分解槽在氧化铝冶炼过程中的用途是对溶出后的矿浆进行分级分解。分解槽的搅拌既要满足料浆充分的混合悬浮又不破坏晶种的长大，因而对其搅拌的要求别于其他的搅拌。现有的在工业上广泛应用的最大分解槽直径为14m，随着氧化铝生产线产能的提高，分解槽的设备大型化已成为必然趋势，需要开发更大直径的分解槽，其搅拌装置的设计亦成为设备大型化的研究主题。由于实际数据采集非常困难，因而本文采用数值模拟手段对分解槽搅拌过程进行模拟分析，并与现场实际情况作比较分析，文中提出的模型可以作为分解槽大型化设计的有效仿真工具，为分解槽的大型化设计提供理论指导。
一、数学模型
对于搅拌流场进行数值模拟，较难处理的是运动的桨叶和静止的挡板、槽壁之间的相互作用。根据模拟计算的需要，本计算采用稳态多重参考系法，将各个计算区域分成两个或多个互不重叠的圆筒状区域，整个分解槽分为旋转区域和静止区域两部分，旋转区域的几何结构只有搅拌桨，静止区域的几何结构包括整个槽壁、挡板与提料管，旋转区域创建旋转坐标系，静止区域创建静止坐标系，搅拌桨相对内部子区域静止，实现搅拌桨的旋转。
五、模拟结果分析
1.搅拌功率
由图2中可以看出，这五种工况下分解槽内流场特征基本相同，在每层桨之间具有相类似的明显循环特征，即：在每层桨叶之间基本都可以形成流体从内外桨之间的位置向上然后分别在内侧和外侧再向下并形成循环的流动。根据桨叶结构可以推测，外侧的流体循环主要由外桨叶带动的，内侧流体循环则主要由内桨叶带动的，内外桨叶的大转折角，造成了流体在内外桨叶之间位置的上升并形成多个循环。在靠近主轴及挡板位置有一定量的流体不参与有效循环，该位置即是滞流区。从矢量图中还发现，滞流区还主要分布在槽底中心及槽底边缘。
3.颗粒相分布
分解槽搅拌的最主要目的就是让颗粒分布更加均匀，通过模拟可以得到颗粒相在整个流场中的分布状况，以及确定颗粒相的高浓度区域。图3是工况五下分解槽内颗粒体积分布图，从图中看出通过搅拌的作用，除液面主轴位置附近和液面边缘附近有一个较低颗粒浓度的区域和底面有较高的颗粒浓度的区域外，颗粒相在分解槽内分布还是比较均匀的。
比较明显且在实际生产中最有危害的就是颗粒相在底面上的堆积，图4是颗粒相在底部区域堆积的三维状态图。从图中可以看出，颗粒都在底层位置存在有沉积，且易沉积的区域基本可以分为两块，就是主轴附近区域以及槽底边缘的区域。
六、结论
本文采用稳态多重参考系法对14m氢氧化铝结晶搅拌分解槽的搅拌过程进行了数值模拟计算，得到如下结论：
1.从功率上来看，五种工况的功率随着固含增加也呈现依次增大的趋势，且功率值在 50kw至 67kw之间，与工业实际搅拌功率 75 kw接近，从而验证本模拟计算结果可靠。
2.从流场速度上进行分析，流体在每层桨间内外形成两个明显循环，且在主轴、挡板、槽底中心及槽底边缘处有明显滞流区。
3.从颗粒相分布看，除液面主轴位置附近和液面边缘附近有一个较低颗粒浓度的区域和底面有较高的颗粒浓度的区域外，整个颗粒相在分解槽内分布是比较均匀的。
参考文献
[1] 王凯 虞军等 搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 王瑞金 张凯 王刚 Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.
[3] 张国娟 闵健 高正明 翼形桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J].高校化学工程学报，2005，19（2）：169-174.
作者简介：王友（1980-），男，湖北人，工程师，硕士，主要研究方向：非标准设备设计与研究。
关键词：分解槽 数值模拟 多相流
分解槽在氧化铝冶炼过程中的用途是对溶出后的矿浆进行分级分解。分解槽的搅拌既要满足料浆充分的混合悬浮又不破坏晶种的长大，因而对其搅拌的要求别于其他的搅拌。现有的在工业上广泛应用的最大分解槽直径为14m，随着氧化铝生产线产能的提高，分解槽的设备大型化已成为必然趋势，需要开发更大直径的分解槽，其搅拌装置的设计亦成为设备大型化的研究主题。由于实际数据采集非常困难，因而本文采用数值模拟手段对分解槽搅拌过程进行模拟分析，并与现场实际情况作比较分析，文中提出的模型可以作为分解槽大型化设计的有效仿真工具，为分解槽的大型化设计提供理论指导。
一、数学模型
对于搅拌流场进行数值模拟，较难处理的是运动的桨叶和静止的挡板、槽壁之间的相互作用。根据模拟计算的需要，本计算采用稳态多重参考系法，将各个计算区域分成两个或多个互不重叠的圆筒状区域，整个分解槽分为旋转区域和静止区域两部分，旋转区域的几何结构只有搅拌桨，静止区域的几何结构包括整个槽壁、挡板与提料管，旋转区域创建旋转坐标系，静止区域创建静止坐标系，搅拌桨相对内部子区域静止，实现搅拌桨的旋转。
五、模拟结果分析
1.搅拌功率
由图2中可以看出，这五种工况下分解槽内流场特征基本相同，在每层桨之间具有相类似的明显循环特征，即：在每层桨叶之间基本都可以形成流体从内外桨之间的位置向上然后分别在内侧和外侧再向下并形成循环的流动。根据桨叶结构可以推测，外侧的流体循环主要由外桨叶带动的，内侧流体循环则主要由内桨叶带动的，内外桨叶的大转折角，造成了流体在内外桨叶之间位置的上升并形成多个循环。在靠近主轴及挡板位置有一定量的流体不参与有效循环，该位置即是滞流区。从矢量图中还发现，滞流区还主要分布在槽底中心及槽底边缘。
3.颗粒相分布
分解槽搅拌的最主要目的就是让颗粒分布更加均匀，通过模拟可以得到颗粒相在整个流场中的分布状况，以及确定颗粒相的高浓度区域。图3是工况五下分解槽内颗粒体积分布图，从图中看出通过搅拌的作用，除液面主轴位置附近和液面边缘附近有一个较低颗粒浓度的区域和底面有较高的颗粒浓度的区域外，颗粒相在分解槽内分布还是比较均匀的。
比较明显且在实际生产中最有危害的就是颗粒相在底面上的堆积，图4是颗粒相在底部区域堆积的三维状态图。从图中可以看出，颗粒都在底层位置存在有沉积，且易沉积的区域基本可以分为两块，就是主轴附近区域以及槽底边缘的区域。
六、结论
本文采用稳态多重参考系法对14m氢氧化铝结晶搅拌分解槽的搅拌过程进行了数值模拟计算，得到如下结论：
1.从功率上来看，五种工况的功率随着固含增加也呈现依次增大的趋势，且功率值在 50kw至 67kw之间，与工业实际搅拌功率 75 kw接近，从而验证本模拟计算结果可靠。
2.从流场速度上进行分析，流体在每层桨间内外形成两个明显循环，且在主轴、挡板、槽底中心及槽底边缘处有明显滞流区。
3.从颗粒相分布看，除液面主轴位置附近和液面边缘附近有一个较低颗粒浓度的区域和底面有较高的颗粒浓度的区域外，整个颗粒相在分解槽内分布是比较均匀的。
参考文献
[1] 王凯 虞军等 搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 王瑞金 张凯 王刚 Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.
[3] 张国娟 闵健 高正明 翼形桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J].高校化学工程学报，2005，19（2）：169-174.
作者简介：王友（1980-），男，湖北人，工程师，硕士，主要研究方向：非标准设备设计与研究。