基于CFD-DEM耦合方法的搅拌槽内固体颗粒流体动力特性研究：叶轮泵送方向与转速对混合动力学的影响

本文采用计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)耦合方法，系统研究了三相(气-液-固)搅拌槽中斜叶涡轮(PBT45)在不同泵送方向(上/下)和转速(300-800rpm)下的颗粒流体动力学特性。通过模拟阻力、升力、压力梯度、虚拟质量力和流体扭矩等关键作用力，结合扭矩测量和电阻抗断层扫描(ERT)实验验证，揭示了压力梯度力和阻力主导颗粒-流体动量交换的规律，为优化多相混合模拟提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过CFD-DEM耦合框架，深入探究了气-液-固混合系统中各类流体作用力的行为与相对重要性。同时考察了叶轮上推和下拉两种泵送模式在300-800rpm转速范围内的表现。

Governing Equations

在CFD-DEM耦合中，流体流动采用连续介质方法建模，通过有限体积法求解质量、动量和能量守恒方程。固相则采用离散方法表征，两相通过相互作用产生的相间动量和热传递项进行耦合。

Experimental Setup

实验装置采用两种测量方法：(1)扭矩测量量化整体流体响应；(2)电阻抗断层扫描(ERT)表征内部电导率和悬浮模式，确保数值模拟与实验数据的可比性。

Numerical Approach

采用ANSYS Fluent与Rocky耦合的CFD-DEM方法，模拟配备PBT45斜叶涡轮的三相挡板搅拌系统，对比分析上下泵送方向在不同转速下的表现。

Results and Discussion

• 悬浮行为：上推泵送利于早期悬浮但高速时效力递减，下拉泵送则能维持持续的作用力增长

• 作用力贡献：压力梯度力(45%)和阻力(38%)主导动量交换，虚拟质量力(12%)具有方向敏感性

• 扭矩特性：流体诱导扭矩在叶轮近场区域显著，最大瞬时值可达平均值的3倍

Conclusions

1. 1.

   压力梯度力是轴向悬浮的主要驱动力，尤其在高速区占比达55%

2. 2.

   虚拟质量力虽量级较小(<15%)，但对颗粒轨迹预测精度影响显著

3. 3.

   升力贡献普遍<5%，但在高剪切区可提升局部混合效率20%

4. 4.

   计算优化建议：800rpm以上可忽略升力，但必须包含虚拟质量项