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改性沥青搅拌器不同叶片安放的影响

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摘要:为了提高搅拌设备内SBS改性沥青的搅拌混合效果,从而能够明显改善改性沥青的力学性能和感温性能,提高公路使用质量。由于SBS改性沥青混合属于固-液两相,通过采用计算流体软件CFD对不同叶片安放角下的开启涡轮搅拌器进行数值模拟,分析30°、45°、66°和四直叶涡轮搅拌器的速度矢量图和综合速度云图,并分别比较其不同涡轮搅拌器的轴向速度、径向速度和切向速度。研究结果表明,四直叶涡轮搅拌器搅拌流型以径向流为主,且产生双循环涡流,圆周带动能力强,混合效果较差;30°、45°和66°斜叶涡轮搅拌器是以轴向流为主,且其速度最大值出现在搅拌器叶片端部。

关键词:改性沥青;搅拌器;叶片安放角;计算流体软件;数值模拟;流场分析

引言

计算流体动力学软件CFD是一种利用计算机求解流体流动过程中质量传递、能量传递、动量传递的方法,其解决对象是流体力学问题,利用手段是数值计算。目前运用流体软件对不同叶片安放角度分析涡轮搅拌器[1]的搅拌效果研究较少,比如30°、45°、66°以及直叶涡轮搅拌器。CFD[2]广泛应用于航空航天、造船、汽车、食品、能源、石油化工、生物医药等领域,其工程应用分为三个阶段:前处理、计算求解以及计算后处理。本文研究的搅拌罐[3]主要应用于SBS改性沥青的搅拌,属于固—液两相搅拌,利用流体仿真软件模拟SBS改性剂与基质沥青在搅拌罐中的混合效果。搅拌设备选用开启涡轮式搅拌器,其叶片直接安装在轮毂上,当叶片安放角不同时,利用流体仿真软件Fluent分析搅拌槽内流体分布情况[4-6],分析其速度矢量图和综合速度云图,为不同需求的搅拌器选择提供了判断依据。

1数值模拟

1.1搅拌罐的几何参数

改性沥青搅拌罐采用圆柱形平底平盖设备,其内径D=1600mm,液面高度H=1800mm。选用开启涡轮式搅拌器,分为直叶、斜叶开启涡轮式搅拌器,其中斜叶涡轮式搅拌器的叶片安放角度分为30°、45°、66°。开启涡轮式搅拌器选用四叶,且对称布置,叶片的形状为平直叶,尺寸为350mm×160mm×10mm,搅拌器距离搅拌罐底部高度为h=400mm。搅拌器叶轮直径取d=100mm,叶片安放角度分别设置为30°、45°、66°和90°。开启涡轮式搅拌器转速为0~300r/min,取n=200r/min,SBS改性沥青密度为1000kg/m3,粘度为1.5Pa•s。

1.2网格划分

首先对搅拌罐内流场进行整体三维建模,另存为.x-t格式文件,导入ANSYSWORKBENCH中的DesignModeler模块创建几何模型,为避免搅拌过程中改性沥青与搅拌器重合,将搅拌器及搅拌轴部分切除,然后将模型导入ANSYSMESH模块中进行网格划分。由于搅拌罐内流体随搅拌器的旋转而运动,为方便数值模拟,运用多重参考系法(MRF)将搅拌器及其附近区域设置为动区域,其余区域设置图1网格划分为静区域,两区域之间通过交界面来转化速度。采用非结构化网格对两区域进行划分,其中动区域网格划分尺寸较密,静区域网格划分尺寸较疏(图1)。

1.3计算方法

采用FLUENT软件对搅拌槽内流体进行分析[7],选择三维双精度模型,并对网格质量进行检查。选择湍流标准k-ε模型,设置流体边界条件,动区域转速设为200r/min,设置迭代步数为300步,进行迭代计算,最后观察残差图是否收敛。

2模拟结果分析

2.1宏观流场分析

把改性沥青搅拌罐的轴向纵切面作为研究对象,对30°、45°、66°和90°涡轮搅拌器的轴向纵切面的速度流场进行分析,其轴向纵切面的速度矢量图如图2所示。图2不同叶片安放角的涡轮搅拌器轴向纵切面速度矢量图从图2可以看出搅拌器叶片安放角不同对搅拌槽内改性沥青流体流态有很大的影响。如图2(d),当叶片安放角为90°,即四直叶涡轮式搅拌器,搅拌罐内的流型以径向流为主。搅拌器在叶片旋转动区域产生高速径向射流,径向射流夹带周围的流体迅速流向搅拌罐边缘,撞击到搅拌罐壁后,径向流分为两部分,一部分沿着罐壁向上运动,一部分向着罐底运动。其中SBS改性沥青流体向底部流动时,碰到搅拌罐底部后循环流动受到抑制,转成径向流流向搅拌轴,随后分别流回搅拌器叶片区域。在搅拌器上方和下方各自形成一个环形的涡流,这就是“双循环”流场。如图2(a)-2(c),对于30°、45°以及66°斜叶开启涡轮式搅拌器,其搅拌流型均是以轴向流为主的混流型流场,综合速度是向下倾斜的。搅拌器通过旋转将改性沥青流体沿轴向向下排出,流体冲击搅拌罐底部后转向,流向搅拌罐壁并沿罐壁向上运动,再流回搅拌器叶片转动区域,形成较强的整体循环流。其中,以45°和66°斜叶涡轮式搅拌器的搅拌混合效果较好。图3(a)-3(d)的四种搅拌器轴向纵切面的综合速度云图展现了改性沥青搅拌罐内的速度分布情况,其中高亮部分代表高速区,主要分布在搅拌器的叶片附近。同时,搅拌器下方都有部分区域速度很小,形成回流区域。搅拌器上方的改性沥青流体速度场强度明显减弱,搅拌效果差。 

2.2轴向线上速度分布

为了定量地比较这四种搅拌器的性能,分别对四种搅拌器在搅拌槽x=300mm,y=300mm,z从-400mm到1400mm的轴向直线上的轴向速度、径向速度以及切向速度进行分析比较,如图4—图6所示。文中坐标轴中心位于搅拌器中心处,其中轴向速度以沿着z轴负方向为正,反之为负;径向速度以沿着搅拌器中心指向搅拌罐壁方向为正,反之为负;切向速度以沿着搅拌器的旋转方向为正,反之为负。从图4—图6可以看出不同叶片安放角的搅拌器其速度变化趋势比较接近。从图4可以看出,在搅拌器附近轴向速度有最大值,且为正值。轴向速度在搅拌罐底部时由零开始增大,到搅拌器叶片附近达到最大值,然后到搅拌罐顶部速度一直减小,直到为零。斜叶涡轮式搅拌器的轴向速度明显要大于90°直叶涡轮式搅拌器,说明四斜叶涡轮式搅拌器在此区域内混合效果好,其中尤以45°和66°斜叶涡轮搅拌器的速度比较大,且四斜叶涡轮式搅拌器是轴流型搅拌器。在搅拌器下部区域,四斜叶涡轮式搅拌器比四直叶涡轮式搅拌器的轴向速度大,在搅拌器上部至罐顶区域内,四直叶涡轮搅拌器的轴向速度在数值上一直略大于四斜叶涡轮搅拌器的轴向速度。从图5可以看出,在搅拌器下部有最大负径向速度,在搅拌器上部有最大正径向速度,说明改性沥青流体从搅拌器中心飞射到搅拌罐壁上,然后沿罐壁向下流动后又流回搅拌器中心,形成一个漩涡,且在搅拌器叶片附近。由于正径向速度在数值上要大于负径向速度,说明由搅拌器射出的径向流在经过搅拌罐碰撞后有能量损失。在搅拌器下部,45°和66°斜叶涡轮搅拌器的速度要大于30°和四直叶涡轮搅拌器,说明在此区域内45°和66°斜叶涡轮搅拌器要比四直叶涡轮搅拌器搅拌混合效果好。在搅拌器上部,综合图4搅拌器的轴向速度,得出四直叶涡轮搅拌器的搅拌效果比四斜叶涡轮搅拌器的效果好。从图6可以看出,在搅拌器附近切向速度有最大值,且随着距搅拌器距离的增大而逐渐减小,在搅拌罐底部和顶部切向速度为零。综合图4和图5可以看出,切向速度在综合速度的三个分量中数值最大,说明在搅拌的过程中,搅拌罐内的改性沥青流体主要随着搅拌器叶片做圆周运动。四直叶涡轮搅拌器的切向速度略大于四斜叶涡轮搅拌器,说明直叶片的圆周带动能力较强,但是切向速度较大时,改性沥青液体表面会形成漩涡,此时改性沥青流体从搅拌器叶片周围周向卷吸至叶片区的流量很小,混合效果很差。

3结语

1)当叶片安放角为90°,即四直叶开启涡轮式搅拌器,改性沥青流体以径向流为主,并以叶片为界形成上循环流和下循环流,且循环较弱;当叶片安放角为30°、45°或66°时,改性沥青流体以轴向流为主,并沿搅拌器旋转区域形成整体循环流,循环较强,适用于需要强循环的操作。其中,尤以45°和66°斜叶涡轮式搅拌器的搅拌混合效果较好。2)搅拌器的轴向速度、径向速度和切向速度的极值均出现在搅拌器叶片附近,其中切向速度在综合速度的三个分量中数值最大,说明改性沥青流体主要随着搅拌器叶片做圆周运动。四直叶涡轮搅拌器的切向速度要大于30°、45°以及66°斜叶涡轮式搅拌器,说明直叶片的圆周带动能力较强,混合效果差。3)综合搅拌速度、涡流形状,改性沥青搅拌罐搅拌器采用45°安放角,搅拌效果较好。

作者:陈雪丽 陈新轩 郑义明 郭辉 单位:长安大学

改性沥青搅拌器不同叶片安放的影响责任编辑:张雨    阅读:人次
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