张瑞　李宣　周振　张景坡　刘星

摘 要：涡轮式搅拌釜结构简单，广泛用于微生物与细胞培养过程中。本文通过CFD对涡轮式搅拌釜进行数值模拟，分析其内部流场的流动状态。模拟结果表明，在转速为100r/min条件下，涡轮式搅拌釜桨叶区域流体的最高速度为3.1m/s，釜内流场为径向流，产生大涡流有利于轴向混合，小涡流主要以径向流为主；

关键词：涡轮式；CFD；搅拌功率

搅拌釜式生物反应器广泛应用于微生物和细胞培养以及发酵过程中[1]。該结构比较简单，但不同桨叶形式的搅拌釜内部流场却很复杂。径流型搅拌器具有极强的径向排量及分散能力等优点。涡轮式桨叶是搅拌釜式生物反应器中常用的桨叶形式，但哪种桨叶形式更符合生物反应器的生产要求，现有的设计方法大都依靠运行经验的积累，精度较差[2-3]。因此掌握不同搅拌搅拌釜内流体的流动特性以及功率特性对搅拌釜的工程应用、优化设计等具有重要意义。本文通过CFD数值模拟对涡轮式搅拌釜内部流场进行分析，不但节省了大量实验和计算的工作，还可以准确的得到推进式和涡轮式搅拌釜各自的搅拌特性。

搅拌效果好，能耗小是搅拌设备追求的目标[4-5]。对搅拌釜而言，搅拌能耗以搅拌功率为指标，因此本文通过CFD分别对推进式和涡轮式搅拌釜进行数值模拟，对比推进式桨叶和涡轮式桨叶在能耗和剪切力方面的混合特性，从而分析桨叶所适用的范围。

1 搅拌釜模型与模拟方法

本文针对涡轮式搅拌釜进行分析，结构如图1所示。釜体结构相同，釜径为2.8m，高4.5m，桨径为1.2m，釜壁设置6个挡板，底部用圆盘封底。

应用前处理器软件Gambit对模型进行网格划分，桨叶相对于釜体来说结构相对复杂，因此搅拌釜内的网格划分采用结构化和非结构化相结合的方法，动子区采用非结构化的网格，槽内其他区域应用合理的分区方法采用结构化网格。

2 模拟结果与分析

2.1 速度矢量分布和漩涡分布

搅拌转速都为100r/min的条件下对涡轮式搅拌釜釜内流体速度进行数值模拟。如图2所示。

由图3可知，在相同转速下，涡轮式搅拌釜在搅拌桨叶区域流体的速度较高，最高速度为3.1m/s；在远离桨叶的区域，涡轮式搅拌釜釜内流体的速度范围差异较小。就漩涡分布而言，如图（a）所示，对于涡轮式搅拌釜，径向涡流较多，在两层桨叶之间有大湍流形成，在上层搅拌桨叶的上端和下层搅拌桨叶下端有小涡流产生，大涡流有利于轴向混合，小涡流主要以径向流为主。

2.2 搅拌功率

对涡流式搅拌釜进行搅拌功率的模拟，模型相同的情况下，搅拌转速为100r/min、110r/min、120r/min、130r/min时，搅拌功率如图3所示。

随着转速的额提高，涡流式搅拌釜的搅拌功率也增大，这是由于桨径一定的情况下，转速越高，力矩越大，搅拌功率越越大。在转速140r/min时，搅拌功率为8524w。在转速100r/min时，搅拌功率为3975w。

3 结论

（1）涡轮式搅拌釜桨叶区域流体的最高速度为3.1m/s，对于涡轮式搅拌釜，径向涡流较多，在两层桨叶之间有大湍流形成，在上层搅拌桨叶的上端和下层搅拌桨叶下端有小涡流产生，大涡流有利于轴向混合，小涡流主要以径向流为主。

（2）随着转速的额提高，涡流式搅拌釜的搅拌功率也增大在转速140r/min时，搅拌功率为8524w。在转速100r/min时，搅拌功率为3975w。

参考文献

[1] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2] Kasat G R，Khopkar A R，Ranade V V.CFD simulation of liquid-phase mixing in solid-liquid stirred reactor [J].Chemical Engineering Science，2008（63）：3877-3885.

[3] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 厉鹏，刘宝庆，金志江.搅拌釜内流场实验研究与数值模拟的进展[J].化工机械，2010，37（6）：799-804

[5] Tao Chen，Le-Qin Wang，Da-Zhuan Wu.Investigation of the mechanism of low-density particle and liquid mixing process in a stirred vessel [J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，2012，90（4）：925-935.