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　　评价浓度分布的标准，可以通过不均匀度M来衡量。在每条特征线]，求得不同C值的不均匀度M，结果如表5所示。

　　在筒形搅拌槽内，下桨叶与槽底距离C的值，常与搅拌槽直径D相关。因此，研究时设计如表1所示的7种模型。

　　由表3可见，下桨叶离槽底越远，会导致低温区域增大，但是其搅拌及混合性能也会下降，并不一定能提高结晶降温速率。当下层桨叶与槽底的距离为C=D/5时，降温速率最快，硫酸铜结晶效率也高。

　　计算仿真结束后，截取不同C值模型的X=0截面，对溶液的速度矢量云图（图5）和流速直方图（图6）做多元化的分析，研究C值对硫酸铜结晶效率的影响。

　　通过Fluent模拟得到搅拌到3 h时，搅拌槽内溶液的平均温度，代入式（1）中进行计算，结果如表3所示。

　　当C=D/5时，晶体的不均匀度达到最小值，晶体颗粒的分布最为均匀，此时容易得到较大的结晶颗粒，结晶质量较高。

　　搅拌器依旧选择上层为CBY式，下层为推进式桨叶的组合，C值为C=D/5。

　　桨叶之间距离L一般与搅拌器作用直径d 相关，故研究时设计如表2所示的5种模型。

　　由图5可见，改变C值时，下桨叶与槽底之间的区域受影响最大。当C值较大时，低温溶液由进液口进入并在下桨叶下方循环流动，与搅拌槽上半部分溶液没有良好接触混合，如模型1、2、3。从模型5、6可看出，当C值较小时，低温溶液与下桨叶接触时，分成向上向下两股。分别与搅拌槽上部和下部的溶液进行混合对流，使搅拌槽内部形成了一个大循环，混合效果理想。从模型7来看，当C值过小时，下桨叶与槽底之间的区域形成封闭空间，导致此区域溶液无法与整体进行混合，效果不理想。可见模型5、6效果最佳，即C值为D/4.5或者D/5时。图6为不同C值模型的流速直方图，横纵坐标分别表示速度m/s和百分比。

　　【摘 要】硫酸铜在农业生产中很有重要的作用,在硫酸铜结晶设备中桨叶的安装的地方是影响搅拌器性能的重要指标之一.通过对搅拌器桨叶安装的地方的研究提高硫酸铜的结晶效率.实际生产中用到的硫酸铜搅拌器多为双层桨叶,对于双层搅拌器,安装的地方最重要的包含上下层桨叶之间距离和下层桨叶距搅拌槽底部的距离.通过数值模拟仿真技术对几组不同安装的地方的搅拌器进行仿真研究,从而得到最佳的安装的地方结构参数.

　　边界条件设置：搅拌器桨叶处设定为无滑移条件，即在近壁面处液体随搅拌器叶一起转动没有相对滑移影响。搅拌液体上层液面设置为对称边界条件；进液口进液流速设置为1 m/s，溢流口设为自由出口。

　　对于双层搅拌器，下层桨叶与搅拌槽底部的距离以及上下层桨叶之间的距离对搅拌器的搅拌性能有着重要影响。本文将以上层采用CBY式桨叶，下层采用推进式桨叶的搅拌器为模型进行模拟分析，以得到桨叶安装的最佳结构参数[3-4]。桨叶形状结构如图3所示。

　　由图8可见，随着L值的变化，上下桨叶叶端之间的较高温度区域大小发生了变化。L值增大，该区域变小。当L=1.2d时，下桨叶的叶端处没有了高温区域。

　　根据温度云图，无法准确对比出不同L值时降温速率的不同。因此，同样读取搅拌槽内溶液在第3个小时的平均温度，并代入式（1）计算，结果如表6。

　　计算流体力学是随着计算机发展而发展出的一门新型学科，是介于流体力学、计算机学和数学之间的交叉学科。CFD技术在各行各业的生产中已得到十分普遍的使用，对工业的发展起到至关重要的作用[1]。研究表明，双层桨叶结构的硫酸铜搅拌器的最佳桨叶选型为上层采用CBY式桨叶，下层采用推进式桨叶。

　　本模拟中流型为固—液两相流，采用的模型为欧拉（Eulerian）模型。硫酸铜晶体为固相：体积含量比重为20%，晶体颗粒直径0.5 mm，密度为2.284×103 kg/m3。液相为硫酸铜溶液：体积含量比重为80%，溶液粘度为1.91 MPa·s，溶液密度为1.32×103 kg/m3。湍流模型选用标准k-ε模型，参数设置为默认；分离算法采用SIMPLE算法；基本方程离散差分主要是采用以下格式：湍动能方程和湍动能耗散率方程采用二阶迎风差分格式，动量项方程和体积分数方程采用一阶迎风差分格式。为加快收敛的速度，松弛因子可依据情况实时调整。

　　利用CFD进行模拟，层间距L选择企业实际生产中采用的距离，即L=800 mm。

　　截取搅拌进行到2 h的不同C值的搅拌器模型的X=0 m截面的温度云图，如图4所示。

　　由图4可见，不同C值会导致低温区域形状和大小不同。C值越大,进液口处低温区域范围越大。但这不代表C值越大搅拌器的降温性能越好，还一定要通过降温速率进行计算验证。

　　计算仿真结束后，截取不同L值模型的X=0截面，对溶液的速度矢量云图（图9）和流速直方图（图10）做多元化的分析，研究L值对硫酸铜结晶效率的影响。

　　【作者单位】650051 云南省 昆明市 昆明理工大学机电工程学院;650051 云南省 昆明市 昆明理工大学机电工程学院;650051 云南省 昆明市 昆明理工大学机电工程学院

　　由表4可见，当C=D/5时，溶液的平均流速最大，具有较强流动性，有利于不一样的温度和浓度的溶液进行混合，可提高硫酸铜结晶的效率。

　　通常，根据特征线的不均匀度来分析几个模型的晶体分布情况。在X=0 m截面，选取Y=0.5 m作为特征线 m上的晶体浓度曲线所示，横坐标为特征线上的位置，纵坐标为晶体浓度。

　　双层搅拌器两个安装结构尺寸参数：（1）下层桨叶与搅拌槽底部的距离C。由于硫酸铜降温结晶搅拌设备的搅拌槽底部处开设了进液口，因此，下层桨叶与搅拌槽底部的距离会影响到进液口进入的溶液的流型，进而影响到整个搅拌设备的流场。（2）两层桨叶之间的距离L。在双层搅拌器中，上下层桨叶之间距离过近，会互相抑制另一层桨叶的性能，如果层距过大，两层桨叶之间又不能形成合力，共同作用整个槽体中的流体，相当于各自搅动，因此，需要确定双层桨叶之间的最佳距离[5]。

　　网格划分是CFD数值模拟中不可或缺的重要部分。网格划分的精度和准确度会影响仿真结果。本文模型的网格划分使用的是Mesh软件。搅拌设备的整个流体流域部分被划分为静止域部分和旋转域部分，交界面将静止域与旋转域相连。由于静止域结构相对比较简单、规则，而旋转域结构较为复杂，故在网格划分时需对旋转域单独进行细化，此网格划分得到单元数为3 217 287个，节点数为535 644个。模型划分效果如图2所示。

　　式中：n——直方柱数目；——单直方柱区域内的平均流速；pi——单直方柱的百分比。

　　本文的搅拌设备结合实际结构分为搅拌槽和搅拌器，搅拌槽为圆柱形主体、锥形底部，在主体部分底部设有低温溶液进液口，搅拌釜锥形底下方部设有排水口，主体的上沿处设有溶液溢流口[2]。其结构尺寸为：圆柱部分高度H1=1 700 mm，总高度H=2 000 mm，内径D=2 000 mm，进液口直径=Φ80 mm，溢流口直径=Φ120 mm，主体壁厚B=20 mm，物理模型利于Solid edge软件进行绘制，如图1所示。本文根据工业生产真实的情况采用的双层搅拌器，桨叶宽度b=120mm，桨叶厚度C=10 mm，桨叶与平面成45°角安装。搅拌轴为实心，轴径d=Φ60 mm， 搅拌器作用直径d=Φ860 mm。上下层桨叶距离为L=800 mm，下层桨叶距槽底距离C=500 mm。

　　由图9可见，当L＜d时，虽然上下桨叶之间的区域有相互接触，但下桨叶受到了上桨叶的影响，使得下桨叶的循环区域被压缩，导致从进液口进入的低温溶液向上的流动分量较小，混合效果一般。当L＞1.1d时，上下桨叶之间的区域接触很少，搅拌槽内没办法形成一个整体的大循环，混合效果也一般。