本站小編為你精心準備了改性瀝青攪拌器不同葉片安放的影響參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:為了提高攪拌設備內SBS改性瀝青的攪拌混合效果，從而能夠明顯改善改性瀝青的力學性能和感溫性能，提高公路使用質量。由于SBS改性瀝青混合屬于固－液兩相，通過采用計算流體軟件CFD對不同葉片安放角下的開啟渦輪攪拌器進行數值模擬，分析30°、45°、66°和四直葉渦輪攪拌器的速度矢量圖和綜合速度云圖，并分別比較其不同渦輪攪拌器的軸向速度、徑向速度和切向速度。研究結果表明，四直葉渦輪攪拌器攪拌流型以徑向流為主，且產生雙循環渦流，圓周帶動能力強，混合效果較差;30°、45°和66°斜葉渦輪攪拌器是以軸向流為主，且其速度最大值出現在攪拌器葉片端部。

關鍵詞:改性瀝青；攪拌器；葉片安放角；計算流體軟件；數值模擬；流場分析

引言

計算流體動力學軟件CFD是一種利用計算機求解流體流動過程中質量傳遞、能量傳遞、動量傳遞的方法，其解決對象是流體力學問題，利用手段是數值計算。目前運用流體軟件對不同葉片安放角度分析渦輪攪拌器［1］的攪拌效果研究較少，比如30°、45°、66°以及直葉渦輪攪拌器。CFD［2］廣泛應用于航空航天、造船、汽車、食品、能源、石油化工、生物醫藥等領域，其工程應用分為三個階段:前處理、計算求解以及計算后處理。本文研究的攪拌罐［3］主要應用于SBS改性瀝青的攪拌，屬于固—液兩相攪拌，利用流體仿真軟件模擬SBS改性劑與基質瀝青在攪拌罐中的混合效果。攪拌設備選用開啟渦輪式攪拌器，其葉片直接安裝在輪轂上，當葉片安放角不同時，利用流體仿真軟件Fluent分析攪拌槽內流體分布情況［4－6］，分析其速度矢量圖和綜合速度云圖，為不同需求的攪拌器選擇提供了判斷依據。

1數值模擬

1．1攪拌罐的幾何參數

改性瀝青攪拌罐采用圓柱形平底平蓋設備，其內徑D=1600mm，液面高度H=1800mm。選用開啟渦輪式攪拌器，分為直葉、斜葉開啟渦輪式攪拌器，其中斜葉渦輪式攪拌器的葉片安放角度分為30°、45°、66°。開啟渦輪式攪拌器選用四葉，且對稱布置，葉片的形狀為平直葉，尺寸為350mm×160mm×10mm，攪拌器距離攪拌罐底部高度為h=400mm。攪拌器葉輪直徑取d=100mm，葉片安放角度分別設置為30°、45°、66°和90°。開啟渦輪式攪拌器轉速為0～300r/min，取n=200r/min，SBS改性瀝青密度為1000kg/m3，粘度為1．5Pa•s。

1．2網格劃分

首先對攪拌罐內流場進行整體三維建模，另存為．x－t格式文件，導入ANSYSWORKBENCH中的DesignModeler模塊創建幾何模型，為避免攪拌過程中改性瀝青與攪拌器重合，將攪拌器及攪拌軸部分切除，然后將模型導入ANSYSMESH模塊中進行網格劃分。由于攪拌罐內流體隨攪拌器的旋轉而運動，為方便數值模擬，運用多重參考系法(MRF)將攪拌器及其附近區域設置為動區域，其余區域設置圖1網格劃分為靜區域，兩區域之間通過交界面來轉化速度。采用非結構化網格對兩區域進行劃分，其中動區域網格劃分尺寸較密，靜區域網格劃分尺寸較疏(圖1)。

1．3計算方法

采用FLUENT軟件對攪拌槽內流體進行分析［7］，選擇三維雙精度模型，并對網格質量進行檢查。選擇湍流標準k－ε模型，設置流體邊界條件，動區域轉速設為200r/min，設置迭代步數為300步，進行迭代計算，最后觀察殘差圖是否收斂。

2模擬結果分析

2．1宏觀流場分析

把改性瀝青攪拌罐的軸向縱切面作為研究對象，對30°、45°、66°和90°渦輪攪拌器的軸向縱切面的速度流場進行分析，其軸向縱切面的速度矢量圖如圖2所示。圖2不同葉片安放角的渦輪攪拌器軸向縱切面速度矢量圖從圖2可以看出攪拌器葉片安放角不同對攪拌槽內改性瀝青流體流態有很大的影響。如圖2(d)，當葉片安放角為90°，即四直葉渦輪式攪拌器，攪拌罐內的流型以徑向流為主。攪拌器在葉片旋轉動區域產生高速徑向射流，徑向射流夾帶周圍的流體迅速流向攪拌罐邊緣，撞擊到攪拌罐壁后，徑向流分為兩部分，一部分沿著罐壁向上運動，一部分向著罐底運動。其中SBS改性瀝青流體向底部流動時，碰到攪拌罐底部后循環流動受到抑制，轉成徑向流流向攪拌軸，隨后分別流回攪拌器葉片區域。在攪拌器上方和下方各自形成一個環形的渦流，這就是“雙循環”流場。如圖2(a)－2(c)，對于30°、45°以及66°斜葉開啟渦輪式攪拌器，其攪拌流型均是以軸向流為主的混流型流場，綜合速度是向下傾斜的。攪拌器通過旋轉將改性瀝青流體沿軸向向下排出，流體沖擊攪拌罐底部后轉向，流向攪拌罐壁并沿罐壁向上運動，再流回攪拌器葉片轉動區域，形成較強的整體循環流。其中，以45°和66°斜葉渦輪式攪拌器的攪拌混合效果較好。圖3(a)－3(d)的四種攪拌器軸向縱切面的綜合速度云圖展現了改性瀝青攪拌罐內的速度分布情況，其中高亮部分代表高速區，主要分布在攪拌器的葉片附近。同時，攪拌器下方都有部分區域速度很小，形成回流區域。攪拌器上方的改性瀝青流體速度場強度明顯減弱，攪拌效果差。 

2．2軸向線上速度分布

為了定量地比較這四種攪拌器的性能，分別對四種攪拌器在攪拌槽x=300mm，y=300mm，z從－400mm到1400mm的軸向直線上的軸向速度、徑向速度以及切向速度進行分析比較，如圖4—圖6所示。文中坐標軸中心位于攪拌器中心處，其中軸向速度以沿著z軸負方向為正，反之為負;徑向速度以沿著攪拌器中心指向攪拌罐壁方向為正，反之為負;切向速度以沿著攪拌器的旋轉方向為正，反之為負。從圖4—圖6可以看出不同葉片安放角的攪拌器其速度變化趨勢比較接近。從圖4可以看出，在攪拌器附近軸向速度有最大值，且為正值。軸向速度在攪拌罐底部時由零開始增大，到攪拌器葉片附近達到最大值，然后到攪拌罐頂部速度一直減小，直到為零。斜葉渦輪式攪拌器的軸向速度明顯要大于90°直葉渦輪式攪拌器，說明四斜葉渦輪式攪拌器在此區域內混合效果好，其中尤以45°和66°斜葉渦輪攪拌器的速度比較大，且四斜葉渦輪式攪拌器是軸流型攪拌器。在攪拌器下部區域，四斜葉渦輪式攪拌器比四直葉渦輪式攪拌器的軸向速度大，在攪拌器上部至罐頂區域內，四直葉渦輪攪拌器的軸向速度在數值上一直略大于四斜葉渦輪攪拌器的軸向速度。從圖5可以看出，在攪拌器下部有最大負徑向速度，在攪拌器上部有最大正徑向速度，說明改性瀝青流體從攪拌器中心飛射到攪拌罐壁上，然后沿罐壁向下流動后又流回攪拌器中心，形成一個漩渦，且在攪拌器葉片附近。由于正徑向速度在數值上要大于負徑向速度，說明由攪拌器射出的徑向流在經過攪拌罐碰撞后有能量損失。在攪拌器下部，45°和66°斜葉渦輪攪拌器的速度要大于30°和四直葉渦輪攪拌器，說明在此區域內45°和66°斜葉渦輪攪拌器要比四直葉渦輪攪拌器攪拌混合效果好。在攪拌器上部，綜合圖4攪拌器的軸向速度，得出四直葉渦輪攪拌器的攪拌效果比四斜葉渦輪攪拌器的效果好。從圖6可以看出，在攪拌器附近切向速度有最大值，且隨著距攪拌器距離的增大而逐漸減小，在攪拌罐底部和頂部切向速度為零。綜合圖4和圖5可以看出，切向速度在綜合速度的三個分量中數值最大，說明在攪拌的過程中，攪拌罐內的改性瀝青流體主要隨著攪拌器葉片做圓周運動。四直葉渦輪攪拌器的切向速度略大于四斜葉渦輪攪拌器，說明直葉片的圓周帶動能力較強，但是切向速度較大時，改性瀝青液體表面會形成漩渦，此時改性瀝青流體從攪拌器葉片周圍周向卷吸至葉片區的流量很小，混合效果很差。

3結語

1)當葉片安放角為90°，即四直葉開啟渦輪式攪拌器，改性瀝青流體以徑向流為主，并以葉片為界形成上循環流和下循環流，且循環較弱;當葉片安放角為30°、45°或66°時，改性瀝青流體以軸向流為主，并沿攪拌器旋轉區域形成整體循環流，循環較強，適用于需要強循環的操作。其中，尤以45°和66°斜葉渦輪式攪拌器的攪拌混合效果較好。2)攪拌器的軸向速度、徑向速度和切向速度的極值均出現在攪拌器葉片附近，其中切向速度在綜合速度的三個分量中數值最大，說明改性瀝青流體主要隨著攪拌器葉片做圓周運動。四直葉渦輪攪拌器的切向速度要大于30°、45°以及66°斜葉渦輪式攪拌器，說明直葉片的圓周帶動能力較強，混合效果差。3)綜合攪拌速度、渦流形狀，改性瀝青攪拌罐攪拌器采用45°安放角，攪拌效果較好。

作者：陳雪麗 陳新軒 鄭義明 郭輝 單位：長安大學