1、第 50 卷 第 3 期2023 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:金文强,陈松,谢中元,等.多室连续混合设备流场仿真与实验验证J.北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):101-108.JIN WenQiang,CHEN Song,XIE ZhongYuan,et al.Flow field simulation and experimental verification of multi鄄chamber
2、continuous mixing equipmentJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2023,50(3):101-108.多室连续混合设备流场仿真与实验验证金文强1摇 陈摇 松1*摇 谢中元1摇 秦摇 能1摇 王彦杰2(1.西安近代化学研究所,西安摇 710065;2.山西江阳化工有限公司,太原摇 030041)摘摇 要:为了揭示多室连续混合设备混合过程中流场特性参数的动态变化规律,采用数值仿真方法建立了典型工况下单室容积 2郾 5 L 的多室连续混合工艺模型,得到了混合压力、剪切
3、应力和分布均匀性的变化规律,并通过实验验证了混合压力和分布均匀性的仿真结果。结果显示:多室连续混合设备的各混合室之间混合压力差别不显著,泵压室底部最大混合压力的仿真值为62 954 Pa,远低于1 L 两桨行星式混合设备的最大混合压力;预混室中剪切应力较大,最大剪切应力为 21 798 Pa,远低于 1 L 两桨行星式混合设备的最大剪切应力,表明多室连续混合设备的混合安全性高于传统的两桨行星式混合设备;各混合室中铝粉体积分数(仿真值)的标准差随混合室数量的增加呈下降趋势,泵压室中铝粉体积分数的标准差仅为 0郾 260 3%;实验结果与仿真结果一致,物料状态稳定后混合压力的仿真值与实验值的偏差在
4、 5%以内,仿真模型中铝粉的分布均匀性变化趋势与实际混合过程相同;当投料速度为20 kg/h,桨叶转速为 45 r/min 时,混合物料的分布均匀性随混合室数量的增加而提升,混合物料中铝粉含量的标准差从混合加强室 3 开始不再显著下降,6 室结构为该量级设备的最佳结构。关键词:连续混合设备;流场;数值仿真;桨叶;混合压力;分布均匀性中图分类号:TQ051郾 7摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2023.03.012收稿日期:2022-08-01第一作者:男,1997 年生,硕士生*通信联系人E鄄mail:引摇 言多室连续混合技术是含能材料混合领域的一项新型技术,其设备主体由进
5、料口、出料口以及若干个适用于不同工艺的卧式混合单元连接而成,可以在一台机器上完成多个工艺步骤,例如对高黏度介质进行混合、捏合、滚压和挤出1。多室连续混合设备中,桨叶翼尖的剪切力能够对药浆中的固体微团产生破碎与分散作用,上下桨叶的异向转动能够对药浆产生从前向后的输送效果,通过对混合物料均匀性的动态控制实现工艺的连续化。多室连续混合技术的一大优点在于能够消除大药量制备过程中单锅式混合的批次差异,同时将大锅混合转化为小室混合的方式具有混合压力小、剪切强度低的特点,混合过程的安全性更高,因此该技术有着很好的发展前景。国内对多室连续混合技术的研究起步较晚,有关结构及工艺参数对于物料混合质量和安全性的影响
6、规律还有待深入探索。研发多室连续混合设备需要根据不同的物料特性,分析不同结构和工艺参数对流场的影响规律,进而获取多室连续混合工艺的质量控制模型和安全控制模型,最终得到适用于多室连续混合设备的结构和工艺参数。因此,揭示多室连续混合设备流场特性参数的演变规律对于多室连续混合技术的发展有着重要意义。在混合设备领域中,常采用计算流体力学(CFD)来研究流场特性2-7,并通过实验来摸索工艺规律和验证流场仿真模型8-12。CFD 仿真和实验相结合的方法在单锅式混合设备领域中的应用十分广泛,特别是用于分析结构参数或工艺参数对某一流场特性的影响规律。这是由于单锅式混合设备的混合过程具有较强的周期性,通过提供足
7、够长的混合时间达到均匀混合的目的,并且往往对某一输入参数进行控制即可实现对流场安全特性的调节。然而对于连续式混合设备而言,混合质量和安全性之间存在一定的矛盾关系,其研究更注重流场特性参数的动态变化。目前,关于连续式混合设备的研究较少,且大多沿用与单锅式混合设备类似的研究思路,即将混合特性和安全特性的变化规律分开研究,导致难以平衡混合质量和安全性之间的关系。针对此问题,本文根据多室连续混合设备的混合机理,采用数值仿真方法建立了典型工况下单室容积为 2郾 5 L 的多室连续混合设备的工艺模型,分析了各混合室的流场特性参数,并通过实验验证了多室连续混合工艺的原理,初步揭示了多室连续混合设备混合均匀性
8、和安全特性在相同工况下的动态变化规律,研究结果可以为后续多室连续混合设备桨叶和混合室腔体的优化设计以及工艺参数选择、适用性判定提供参考。1摇 数值仿真1郾 1摇 几何模型根据各混合室功能的不同,多室连续混合设备可划分为预混室、混合加强室及泵压室。预混室可以对进料口处投放的固体粉料进行破碎与分散,并与黏结剂进行初步混合,使物料成为具有一定流变性的固液混合物;混合加强室对来自预混室的物料进行充分混合,使混合物中各物料组分分布均匀;泵压室能够将混合过程中裹入药浆的气泡彻底碾碎,并为设备提供稳定的泵压,将混合均匀的药浆源源不断地从出料口排出。图 1摇 多室连续混合设备的几何模型Fig.1摇 Geome
9、tric model of the multi鄄chamber continuousmixing equipment图 1 为某型多室连续混合设备原理样机的几何模型,包括 1 个预混室、4 个混合加强室以及 1 个泵压室,单室容积为 2郾 5 L。其中,预混室选用分散能力较强的四翼桨叶,混合加强室选用性能较为均衡的二翼桨叶(反向),泵压室选用输送能力较强的“8冶字桨叶。1郾 2摇 有限元模型采用 ANSYS鄄FLUENT 流体仿真软件对混合全过程进行二维数值仿真,有限元网格模型如图 2 所示。桨叶的转动采用动网格模型,初始网格数为53 183,每隔两个时间步长重构一次,网格质量保持良好。图 2
10、摇 二维有限元模型Fig.2摇 Two鄄dimensional finite element model摇1郾 3摇 物性参数仿真物料参数按照浇注高聚物黏结炸药(PBX)配方体系的物性参数给出,采用模拟料配方(表 1)进行 混 合 实 验。使 用 DV鄄芋 Ultra 型 流 变 仪(BROOKFIELD 公司)测试了80 益下浇注 PBX 模拟料的黏度,结果如图 3 所示。表 1摇 实验配方Table 1摇 Experimental formulation成分含量(质量分数)/%Na2SO454郾 5铝粉33黏结剂12固化剂及小组分添加剂0郾 5图 3摇 PBX 模拟料的黏度测试结果Fig.
11、3摇 Viscosity test results of PBX simulant摇摇 摇 根据测试结果可知物料黏度呈现出剪切稀化的非牛顿特性,属于典型的假塑性流体,其流变模型可以用幂律方程13描述。摇 摇 浊=K 酌n-1式中:浊 为表观黏度,Pas;K 为稠度系数,Pasn;酌201北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2023 年为剪切速率,s-1;n 为流动行为指数,n 1 时流体为胀塑性流体。经拟合可得:n=0郾 24,K=202郾 47 Pa sn。采用欧拉多相流模型进行数值模拟,其中主相为空气相,其物性参数按默认设置;第二相为流体相
12、,用以表征药浆在流体域中的流动状态,其物性参数按照混合终产物给出;第三相为颗粒相,用于检验设备流场中物料的分布均匀性,其物性参数按配方中的球形铝粉给出。各相的物性参数如表 2 所示。表 2摇 各相物性参数Table 2摇 Physical parameters of each phase物性参数数值流体相密度/(kg m-3)1 800流体相黏度/(Pa s)3 71颗粒相密度/(kg m-3)2 700颗粒相粒径/滋m10空气相密度/(kg m-3)1郾 225空气相黏度/(Pa s)1郾 79 伊10-51郾 4摇 初始和边界条件设置下桨叶转速为 45 r/min,上桨叶转速根据转速比进行
13、相应变化,投料速度为 20 kg/h,流体相投料比例为 67%(体积分数),颗粒相投料比例为33%(体积分数),出入口与大气压相连,模型考虑重力影响。仿真模型的假设条件为:(1)壁面为无滑移刚性壁面,与壁面接触处的相速度与壁面处保持一致;(2)混合流场为等温层流流场;(3)流场控制体积被各相共享,所有相的体积分数之和为 100%。混合过程为瞬态流动,压力-速度耦合选取Phase Couple SIMPLE 算法,连续方程及对流项的离散选用一阶迎风差分格式,动量方程离散选用二阶迎风差分格式,压力方程离散相选取 PRESTO!格式,瞬态时间步长设定为 10-3s,每个时间步长最多迭代 20 次。2
14、摇 数值仿真结果2郾 1摇 混合压力PBX 药浆在流道中受到高强度的挤压和摩擦时容易使温度升高,从而导致危险性增加14,因此混合流场的压力特性是衡量混合设备安全性的一项重要特性参数。为了考察多室连续混合设备中混合压力的变化规律,选取混合室底部的最大压力为挤压安全特性参数。在每个混合室底部设置监测点,待混合过程稳定后,提取各混合室的下桨叶翼尖转动至混合室底部时壁面所受的压力,结果如表 3 所示。表 3摇 各混合室底部的最大压力仿真值Table 3摇 Simulation values of the maximum pressure at thebottom of each mixing cham
15、ber混合室底部最大压力/Pa预混室60 504混合加强室 161 884混合加强室 259 814混合加强室 362 574混合加强室 459 726泵压室62 954摇摇可 以 看 到,各 混 合 室 底 部 的 最 大 压 力 在59 726 62 954 Pa 之间,底部的最大压力相差不大。根据文献15的仿真结果,不同结构和工艺参数的1 L 两 桨 行 星 式 搅 拌 设 备 的 锅 壁 挤 压 应 力 在0郾 2 MPa 1 MPa 之间,多室连续混合设备的混合压力远低于这一范围,因此可判断多室连续混合设备的挤压安全性处于较高水平。2郾 2摇 剪切应力剪切应力是混合设备分散混合能力的
16、评价指标及安全性指标,剪切应力越大,说明桨叶对物料的破碎性越强,其分散混合能力越好,同时也更容易造成剪切生热,导致安全性下降。为了定量分析各混合室中桨叶的剪切能力,提取每对桨叶在混合过程中的最大剪切应力,结果如表 4 所示。表 4摇 各混合室的最大剪切应力仿真值Table 4摇 Simulation values of the maximum shear stress ofeach mixing chamber混合室最大剪切应力/Pa预混室21 798混合加强室 117 572混合加强室 217 598混合加强室 316 733混合加强室 415 707泵压室4 657摇 摇 可以看到,预混室中的最大剪切应力较大,为21 798 Pa,混合加强室 1 至 4 中的最大剪切应力稍301第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 金文强等:多室连续混合设备流场仿真与实验验证小,在15 707 17 598 Pa 之间,泵压室中的最大剪切应力最小,仅为 4 657 Pa。原因在于剪切能力和桨叶选型直接相关,预混室为分散能力最强的四翼桨叶,混合加强室为性能较为均衡的二翼桨