(1)控制方程的离散
流体动力学的控制方程是一组描写守恒原理的偏微分方程。目前在搅拌釜的CFD模拟时,常用的数值方法是有限体积方法(FiniteVolumeMethod,FVM)和格子-Boltzmann方法(Lattice-BoltzmannMethod,LBM)。
1.FVM方法以流动的守恒型控制方程为基础,对各控制容积积分,对界面上函数构成提出假设,形成不同格式。用该方法模拟搅拌釜内的流场时,时间及空间上的精度一般取2阶,压力与速度的耦合一般采用PISO算法或SIMPLE系列算法。有限体积法导出的离散方程具有守恒性,对区域形状适应性较好,被大量的商用CFD软件所采纳,且通用性较好,但计算的效率上略有损失。
2.LBM方法从介观层次来研究流体及其运动特性,根据分子运动理论建立简化的动力学模型,计算格子间粒子运动,然后做平均处理即可获得宏观层次上的密度、速度等参数LBM方法的主要优点如下:a.比较容易处理工业过程中常见的、几何构形复杂的流动b.数值计算效率高,各网格点处的计算量小;c.易于进行并行计算。搅拌釜内最早的大涡模拟工作是采用该数值方法进行的,目前该方法在搅拌釜的多相流模拟、多尺度湍流模拟和直接数值模拟等方面应用前景较好。
(2)旋转桨叶的处理
搅拌釜内旋转桨叶的处理比较重要。当圆柱形釜壁上无挡板时,处理方法较简单,将整个流体域置于旋转坐标系即可。但釜壁上有挡板存在时,就需要同时考虑运动桨叶与静止拦板被许多商用CFD软件采纳,应用较广泛,在此介绍如下。
1.多重参考系法(MultipleReferenceFrame,MRF)。将搅拌釜内的流体域分为内外两个区域,内区包含旋转的桨叶,采用与桨叶旋转速度相同的旋转坐标系来计算。外区包含静止的挡板、釜壁等,采用静止坐标系来计算。内外两区域内的网格都保持静止,它们之间的物理量匹配直接通过交界面两侧的流场数据来实现。
MRF方法属于稳态算法,常用于内区和外区相互作用比较弱的工况,而且严格意义上讲,该方法只对定常流动有意义。因此,该方法适用于桨径与釜径比值较小,即桨叶与挡板之间的相互作用较弱的场合,此时旋转区域的选择应尽可能包含桨叶影响的流体域。一般认为,内区在径向方向的边界要取在桨叶与挡板的中间位置,轴向方向的边界与所采取的桨叶型式有关。就Rushton涡轮桨而言,轴向边界位置取在距桨叶中心约0.5D处。下压式斜涡轮浆轴向方向的上、下边界距桨叶中心分别约为0.5D和2D。
2.滑移网格法(SlidingMesh,SM)。划分流体内、外区域的原则与MRF方法类似该方法允许内区域的网格绕轴线旋转,可描述桨叶与挡板在不同时刻、不同空间位置下的相互影响和作用,常用于非稳态问题的计算。SM技术不要求动静区域交界面的网格表面完全对应,允许非匹配的交界面,对于桨叶与挡板相互作用较强、桨叶形状复杂的流动模拟大多采用该方法。但由于在网格交界面处必须要进行界面插值以满足守恒方程,数值格式的精度及效率也受到了影响,如Roussinova等的计算结果表明,在滑移网格交界面附近区域轴向速度的预测值与实验值偏差较大[46]。