引言

桶外攪拌混合器是核設(shè)施中利用桶外水泥固化技術(shù)處理低、中放廢液的核心設(shè)備,其工作原理是將水泥及干粉添加劑與料液在攪拌器內(nèi)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笤賹⑺酀{排出,裝入固化桶內(nèi)進(jìn)行固化及養(yǎng)護(hù)處理。

本文對(duì)某工程中使用的400L攪拌混合器的攪拌過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了攪拌容器直徑、攪拌獎(jiǎng)葉結(jié)構(gòu)及尺寸、攪拌轉(zhuǎn)速等影響攪拌器內(nèi)部流場(chǎng)的因素,從而進(jìn)行攪拌混合器結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化。

1流動(dòng)控制物理模型

水泥干粉與料液攪拌的使用工況涉及兩相和三相計(jì)算(忽略攪拌過(guò)程中水泥與水的化學(xué)反應(yīng)對(duì)攪拌流場(chǎng)的影響),在工程中采用的多相流模型主要包括VoF(VolumeofFluid)模型、混合(Mixture)模型、歐拉(Eulerian)模型等。VoF模型主要用來(lái)模擬自由液面問(wèn)題:混合模型是一種簡(jiǎn)化的兩(多)相流模型,它使用單流體方法來(lái)模擬各相有不同速度的兩(多)相流:歐拉模型將連續(xù)相與分散相視為連續(xù)的一體,對(duì)每一相都建立動(dòng)量方程和連續(xù)性方程,通過(guò)壓力和相間交換系數(shù)的耦合來(lái)計(jì)算求解。

三相計(jì)算的水泥顆粒體積分?jǐn)?shù)較大,計(jì)算量較大,選取混合模型作為多相流模型,既能保證對(duì)攪拌器流場(chǎng)的準(zhǔn)確分辨,又能提高計(jì)算效率。

2數(shù)值模擬

攪拌流場(chǎng)涉及空氣一料液—水泥顆粒組成的三相,對(duì)于不同獎(jiǎng)型特定工況下的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比,可簡(jiǎn)化為兩相流處理,以提高效率:對(duì)于瞬態(tài)工況、轉(zhuǎn)速優(yōu)化分析等部分,研究目標(biāo)為固體顆粒的相關(guān)特征,無(wú)法忽略氣液兩相對(duì)固態(tài)的影響,此時(shí)采用混合模型計(jì)算氣體、液體和固體顆粒的物理特征。

2.1幾何建模

選取不同獎(jiǎng)葉模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,如圖1所示,簡(jiǎn)化設(shè)備局部結(jié)構(gòu),可以得到計(jì)算域的完整模型。

2.2網(wǎng)格劃分

多重參考系(MultipleReferenceFrame,簡(jiǎn)稱(chēng)MRF)法適用于穩(wěn)態(tài)計(jì)算,對(duì)非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)也能得到良好的模擬結(jié)果。攪拌器內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可使用MRF法進(jìn)行處理。將攪拌器內(nèi)部流場(chǎng)分為兩個(gè)區(qū)域:(1)攪拌獎(jiǎng)及其周?chē)鷧^(qū)域?yàn)閯?dòng)區(qū)域,包含高速運(yùn)動(dòng)的攪拌器及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,設(shè)定動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體速度和攪拌獎(jiǎng)轉(zhuǎn)速相同:(2)靜區(qū)域部分為攪拌器內(nèi)部計(jì)算域減動(dòng)區(qū)域,處于靜止坐標(biāo)系。

靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用帶邊界層的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,以提高計(jì)算精度。網(wǎng)格模型如圖2所示。計(jì)算域主體采用六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格等,充分考慮交界面網(wǎng)格密度匹配、獎(jiǎng)葉附近區(qū)域網(wǎng)格處理以及網(wǎng)格尺度連續(xù)性。

2.3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

攪拌效果的性能評(píng)價(jià)主要圍繞攪拌的排出性能、剪切性能和混合性能三方面,具體包括:液相固含率、混合時(shí)間、攪拌功率、相同位置的徑向及軸向速度分布、剪切性能等。其中,液相固含率、混合時(shí)間是攪拌均勻性最直觀的體現(xiàn),是相對(duì)更重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),其次流場(chǎng)的速度分布也能從流場(chǎng)方面體現(xiàn)攪拌器的攪拌均勻性。

3結(jié)果與討論

3.1不同獎(jiǎng)型

以相同介質(zhì)的穩(wěn)定工況,對(duì)不同獎(jiǎng)型(2.1節(jié)所述)的攪拌流場(chǎng)進(jìn)行分析。三種獎(jiǎng)型在x=0截面的速度矢量分布如圖3所示。

分析攪拌桶同一高度截面的軸向、徑向、切向速度,得到以下結(jié)論:

(1)相同轉(zhuǎn)速下,直獎(jiǎng)型軸向排出性能與徑向排出性能均較好,但剪切性能較弱,且液面過(guò)高,速度梯度較大,攪拌過(guò)程易引起飛濺。

(2)s型獎(jiǎng)徑向排出性能較強(qiáng),軸向排出性能弱,且軸心位置料分布少,容易出現(xiàn)混合不均勻現(xiàn)象,影響混合性能。

(3)s混合型獎(jiǎng)軸向排出性能較強(qiáng),徑向排出性能較弱,但剪切性能較強(qiáng)。

3.2不同桶徑瞬態(tài)工況

選取s型混合獎(jiǎng),采用氣液固三相模型(混合模型),在特定攪拌轉(zhuǎn)速下對(duì)攪拌桶直徑分別為850mm、900mm、950mm時(shí)的攪拌性能參數(shù)和流場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析。

對(duì)比不同桶徑攪拌器模型在相同的混合時(shí)間內(nèi)達(dá)到的均勻程度,判斷桶徑的選取。選取y=0截面,高度分別為300mm和600mm,距離軸心距離分別為0、0.5r、0.9r的6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖4所示,監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化,樹(shù)脂占料液的體積分?jǐn)?shù)變化如圖5所示。

隨著攪拌時(shí)間的推進(jìn),樹(shù)脂在三種攪拌器中的變化趨勢(shì)相近:由于攪拌導(dǎo)致空氣的混入,樹(shù)脂的體積分?jǐn)?shù)有一定減小。從圖5中樹(shù)脂在料液中的體積分?jǐn)?shù)變化可知,6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)樹(shù)脂占料液的體積分?jǐn)?shù)變化上限和下限的差別為0.02%左右,可見(jiàn)樹(shù)脂在料液中的均勻性沒(méi)有隨著料液加入水泥后整體物性的變化而受到過(guò)多影響,不同位置的體積分?jǐn)?shù)相差不大,樹(shù)脂還是均勻分布在料液之中。隨著攪拌桶直徑的增大,模型的自由液面逐漸降低。

3.3攪拌速度分析

選取S型混合獎(jiǎng),針對(duì)不同轉(zhuǎn)速下水泥下料后到攪拌均勻狀態(tài),開(kāi)展空氣一水泥一料液三相數(shù)值模擬,分析判斷轉(zhuǎn)速對(duì)攪混均勻性的影響。以水泥加入后在液面上的落點(diǎn)區(qū)域作為初始分布。

選取ys=截面,高度分別為02=00、m2200、82200,距離軸心距離分別為2、2.mr、2.9mr的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖6所示,監(jiān)測(cè)水泥體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化。

選取攪拌7ms后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下攪拌流場(chǎng)內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水泥體積分?jǐn)?shù)差別。ys2截面水泥體積分?jǐn)?shù)分布如圖7所示。

結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速越大,攪拌越能快速趨近均勻狀態(tài):攪拌7ms后,9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水泥體積分?jǐn)?shù)趨近:轉(zhuǎn)速增加有助于攪混效率的提高,但轉(zhuǎn)速較高時(shí)(172r/0in、022r/0in),液面位置較高(分別達(dá)到1.1m0和1.190),容易造成飛濺。綜合考慮攪拌混合均勻性、攪拌液面高度等因素,攪拌獎(jiǎng)轉(zhuǎn)速在142~1m2r/0in可較好地匹配下料與攪拌,且不會(huì)造成攪拌過(guò)程的飛濺。

3.4獎(jiǎng)型角度參數(shù)的影響

在S型混合獎(jiǎng)的基礎(chǔ)上,分析直獎(jiǎng)段、S獎(jiǎng)段不同角度值下的攪拌性能參數(shù)和流場(chǎng)分布情況,獎(jiǎng)葉兩部分傾角示意圖如圖8所示,各獎(jiǎng)在已有模型的基礎(chǔ)上對(duì)直獎(jiǎng)段及S獎(jiǎng)段型傾角進(jìn)行調(diào)整,如表1所示。

圖9為各獎(jiǎng)葉在xs2截面處速度矢量圖,從軸向、徑向、切向速度的變化趨勢(shì)分析兩段獎(jiǎng)葉的傾斜角度對(duì)攪拌流場(chǎng)的影響:

(1)軸向速度:直獎(jiǎng)段下壓之后,直獎(jiǎng)段的斜率增大,攪拌過(guò)程中對(duì)泥漿軸向的沖擊增加:S段斜度可較好地對(duì)徑向及軸向速度進(jìn)行分配,斜度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)降低攪拌獎(jiǎng)排出性能:攪拌獎(jiǎng)軸向排出性能受S獎(jiǎng)段影響較大,攪拌獎(jiǎng)軸向排出性能與攪拌獎(jiǎng)角度之間存在最佳角度使軸向排出性能最好。

(2)徑向速度:直獎(jiǎng)段角度減小,攪拌過(guò)程中徑向作用力增加,從而使徑向速度增加;S段角度增加使攪拌獎(jiǎng)與泥漿徑向接觸面積增大,攪拌過(guò)程中徑向作用力增加,從而使徑向速度增加。S獎(jiǎng)段上抬＋直獎(jiǎng)段下壓,最大限度地增加了攪拌獎(jiǎng)與泥漿的徑向接觸面積,從而使攪拌過(guò)程中徑向速度最大。綜合分析,攪拌獎(jiǎng)徑向排出性能受S獎(jiǎng)段角度影響較大,攪拌獎(jiǎng)徑向排出性能隨著攪拌獎(jiǎng)角度增大而呈逐漸增大趨勢(shì)。

(3)切向速度:直獎(jiǎng)上抬后角度增大,攪拌過(guò)程易出現(xiàn)渦流,直獎(jiǎng)段下壓后剪切角變小,剪切力下降;S獎(jiǎng)段傾角過(guò)大會(huì)造成渦流,剪切角減小則剪切力下降。

4結(jié)論

此文應(yīng)用FLUENT軟件,針對(duì)桶徑參數(shù)、獎(jiǎng)葉結(jié)構(gòu)及選型、攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行下料過(guò)程仿真研究,主要結(jié)論如下:

(1)關(guān)于桶徑:相同轉(zhuǎn)速下,攪拌桶直徑越大,自由液面越低:各桶徑下,固相在料液中的體積分?jǐn)?shù)占比相差不大。

(2)關(guān)于轉(zhuǎn)速:隨著轉(zhuǎn)速增加,各點(diǎn)水泥體積分?jǐn)?shù)與平均值間的差距逐漸縮小,轉(zhuǎn)速越高,攪拌器內(nèi)流場(chǎng)越能快速趨近攪混均勻:轉(zhuǎn)速增加有助于攪混效率的提高,但轉(zhuǎn)速過(guò)高,液面位置較高,容易造成攪拌過(guò)程中的飛濺。

綜合混合性能、液面高度等因素,桶徑選取900mm,攪拌轉(zhuǎn)速為1m041~0r/min。

(3)關(guān)于獎(jiǎng)型:直獎(jiǎng)獎(jiǎng)型的排出性能較好,但剪切性能差:s型獎(jiǎng)徑向排出性能較強(qiáng),軸向排出性能弱,且軸心位置料分布少,容易出現(xiàn)混合不均勻現(xiàn)象,影響混合性能:s型混合獎(jiǎng)軸向排出性能較強(qiáng),徑向排出性能較弱,剪切性能較強(qiáng)。

(4)關(guān)于獎(jiǎng)型傾角:攪拌獎(jiǎng)軸向排出性能受s獎(jiǎng)段角度影響較大,軸向排出性能隨攪拌獎(jiǎng)角度增加,先增加后減小:攪拌獎(jiǎng)徑向排出性能受s獎(jiǎng)段角度影響較大,徑向排出性能隨著攪拌獎(jiǎng)角度增大而逐漸增大:攪拌獎(jiǎng)剪切性能受直獎(jiǎng)段角度影響較大,攪拌獎(jiǎng)剪切性能與攪拌獎(jiǎng)角度存在最佳角度使攪拌獎(jiǎng)剪切性能最好。

綜合以上,丙C型獎(jiǎng)葉可綜合兼顧排出性能、剪切性能、混合性能及液面高度,為較優(yōu)的獎(jiǎng)型選擇。