1 前言
潛水?dāng)嚢杵魇且环N新型、的潛水?dāng)嚢韬屯屏餮b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(dòng)的一般工農(nóng)業(yè)過(guò)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(guò)程中，葉輪的攪拌和推流起到重要的作用，不同類(lèi)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)以其速度快、經(jīng)濟(jì)性好以及能提供全流場(chǎng)信息細(xì)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)在攪拌設(shè)備的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中受到重視。利用FLUENT軟件對(duì)葉輪直徑360mm,轉(zhuǎn)速1430r/min的潛水?dāng)嚢杵鲾嚢枇鲌?chǎng)進(jìn)行CFD分析，旨在揭示其內(nèi)部流動(dòng)的規(guī)律，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)信息。
2 控制方程
3 邊界條件
3.1 進(jìn)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(mǎn)足無(wú)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(dòng)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(jìn)行修正。
3.4壓力邊界條件
固壁壓力取第二類(lèi)壓力邊界條件：
4 求解技術(shù)
控制方程使用有限體積法進(jìn)行的離散，采用二階迎風(fēng)格式。控制方程采取分離式求解器隱式方案進(jìn)行求解，選用SIMPLEC算法。
5 計(jì)算結(jié)果及分析
5.1 攪拌流場(chǎng)分析
如圖1所示，雖然攪拌流場(chǎng)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(chǎng)的大致形態(tài)。可以看出：液體一方面被高速旋轉(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(dòng)區(qū)，速度值較大，并且?guī)в休^強(qiáng)的軸向分量。也就是說(shuō)，利用升力線(xiàn)、升力面理論產(chǎn)生旋向射流，以中心較快速度向外做擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)。
為了更清晰、準(zhǔn)確地描述攪拌流場(chǎng)的流動(dòng)情況，對(duì)攪拌流場(chǎng)進(jìn)行沿軸面和軸截面方向進(jìn)行剖面分析即截取空間流場(chǎng)的截面來(lái)更準(zhǔn)確地分析攪拌流場(chǎng)的情況。按軸面方向剖分截面取兩個(gè)葉片后所得到的速度矢量分布和流線(xiàn)分布，如圖2、圖3所示。從圖中能夠比較清楚地看出潛水?dāng)嚢杵鲾嚢枇鲌?chǎng)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(chǎng)，這與潛水?dāng)嚢杵鞯臄嚢柙硎且恢碌摹＜矗瑪嚢杵魅~輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(lái)進(jìn)行混合，使流體以外的液體通過(guò)摩擦產(chǎn)生攪拌作用，在極度混合的同時(shí)，形成體積流，應(yīng)用大體積流動(dòng)模式得到受控流體的推流輸送。為了更清楚地來(lái)描述攪拌流程的速度矢量，對(duì)攪拌流場(chǎng)沿推進(jìn)方向的橫截面進(jìn)行截取，截面位置選取在距離進(jìn)口邊1m的位置，其速度矢量分布，如圖4所示。在潛水?dāng)嚢杵魍七M(jìn)方向上的速度矢量是向四周發(fā)散的，這與軸面的流動(dòng)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?cái)嚢柰七M(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。從軸截面流線(xiàn)分布圖，如圖5所示。不難發(fā)現(xiàn)該截面上的速度流線(xiàn)是安裝空間上類(lèi)似圓形分布，等速度地向前攪拌推動(dòng)液體，達(dá)到受控體積的流動(dòng)和輸送。
5.2不同安裝深度對(duì)攪拌流場(chǎng)的影響
由于潛水?dāng)嚢杵鞯陌惭b定位具有很大的靈活性，結(jié)合工程實(shí)際（江蘇某污水處理廠(chǎng)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(jìn)行計(jì)算分析，如圖6、圖7所示。
從圖6、圖7兩組對(duì)比圖中可以看出：流場(chǎng)的基本形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律大致相同，不同之處在于，接近池底安裝的潛水?dāng)嚢杵髟诔氐酌嫘纬筛咚倭鲃?dòng)區(qū)，對(duì)池底進(jìn)行射流沖刷，這將有助于防止池底固體顆粒沉積，對(duì)池中介質(zhì)進(jìn)行均質(zhì)處理。
5.3不同輪轂比對(duì)攪拌流場(chǎng)的影響
輪轂直徑與葉輪直徑之比稱(chēng)為輪轂比，是潛水?dāng)嚢杵魅~輪設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，其大小的選取對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯乃π阅芎涂蛊g性能有著重要影響，故改變潛水?dāng)嚢杵魅~輪的輪轂比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理論和方法分別取0.2,0.3,0.4，分析其對(duì)攪拌流場(chǎng)的影響，如圖8、圖9所示。
通過(guò)圖8、圖9兩組對(duì)比圖的分析比較，可以看出：輪轂比小的攪拌器葉輪對(duì)攪拌流場(chǎng)的推進(jìn)速度較大，而且分布也較均勻，總體效果較好。但與此同時(shí)，輪轂小的攪拌器在葉輪處的旋渦也較大，這對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯臄嚢栊Ч灿幸欢ǖ挠绊憽Ｒ虼耍诮窈蟮脑O(shè)計(jì)過(guò)程中，需適當(dāng)?shù)剡x取潛水?dāng)嚢杵鞯妮嗇炛睆剑@對(duì)潛水?dāng)嚢杵鲾嚢柰屏鞯乃俣却笮『头植级加幸欢ǖ挠绊憽?br>6 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)潛水?dāng)嚢杵髁鲌?chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明：攪拌器葉輪運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生旋向射流，按照類(lèi)似橢圓形的等速度線(xiàn)向前推進(jìn)；接近池底安裝的潛水?dāng)嚢杵饔兄诜乐钩氐坠腆w顆粒沉積，對(duì)池中介質(zhì)進(jìn)行均質(zhì)處理；輪轂比小的攪拌器總體的推進(jìn)速度較大，且分布較均勻。上述研究結(jié)果對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯膶?shí)際工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。
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