SOLIDWORKS Flow Simulation：数值流体动力学中的混合过程

文章来源：solidworks代理商-卓盛信息

混合过程几千年来一直是人类已知的艺术，并且被广泛认为是理所当然的。在过去的几十年里，它的发展得益于所有实验室常用的计算机测量和模拟技术的使用。尽管混合本身的研究取得了重大进展，但该过程还可以进一步改进，因为它是行业中非常重要的过程。这在所有工业领域都很常见。用于食品、化妆品、涂装等行业。在许多制造公司中，混合过程发生在最终元件生产的任何阶段。因此，优化这一流程非常重要。

混合过程的主要目标始终是找到尽可能低的能量消耗的最有效的过程。

实验实验相对昂贵，因此使用了另一种进行研究的方法——数值流体动力学。通过这种方法获得的结果是精确的，可以让您预测现实。

过去，转子设计时仅进行实证研究。这是由于缺乏可靠的计算模型和有限的计算机资源。如今，技术和单相、多相和分散相模型已经发展到可以依赖数值研究的程度。它们可以预测系统的流体动力学。借助 SOLIDWORKS Flow Simulation 等工具，优化混合过程变得更加容易。

技术信息

模拟混合过程的问题本身与运动元件流动的模拟有关。在这种情况下，用户对相对于固定轴的旋转运动感兴趣。这要归功于“旋转局部区域（平均）”选项。这种方法基本上涉及对任意数量的旋转元素进行建模，每个旋转元素都有自己的流体域，并在与该域相关的局部坐标系中移动。由于计算网格是静止的，因此通过与网格一起传递的组件的相对位置的配置来获得解。可以使用此方法的模拟示例是组件之间交互较弱的任何技术问题。这些问题包括，例如，旋转的车轮或各种类型的搅拌机。

在本文中，我将通过使用涡轮机的混合器示例来介绍 SOLIDWORKS Flow Simulation 程序的功能。

模拟设置

第一步是创建几何图形。在此模拟中，假设罐体本身的直径是混合器直径的两倍。几何体的外观如下图所示。

图1几何形状

下一步是绘制拉什顿涡轮机周围的旋转区域。这由下图中所示的圆柱体表示。

图2添加纺纱区域

绘制几何图形后，您可以继续创建模拟。为此，我选择了“模拟向导”并告知程序主题是什么。为此，我选择了选项“时间依赖性”、“重力”和“旋转区域 - 局部区域”。此外，通过选择“内部”，我通知程序将考虑内部模拟。所选择的选项如下图所示。

图3向导设置-分析类型

然后我选择水作为混合流体，其余部分选择默认选项。分配初始化条件后，我进入“功能管理器”树。

图 4功能管理器

该窗口允许用户将物理模型分配给创建的几何图形。在本例中，我选择了“旋转区域”选项并指向之前绘制的圆柱体。我给它指定的速度为每分钟 200 转，相当于 20.94 rad/s。

图5设置转速

完成上述步骤后，我将局部网格应用到涡轮机本身和水箱壁中。完成此步骤是为了获得更可靠的结果。

图 6生成的网格

然后我告诉程序这个模拟的计算目标是什么。设置计算目标，以便程序可以跟踪每个计算步骤给定参数的变化质量。此信息使您可以确定给定的参数值是否已稳定或仍在变化。在这种情况下，设定了两个计算目标，即罐内的平均速度和相对于垂直旋转轴的平均扭矩。

最后一个需要设置的元素是模拟持续时间。为此，我选择了“计算控制选项”选项。我决定模拟持续时间应为 5 秒。

图7计算控制选择

在“保存”选项卡中，我标记了哪些参数要保存在计算机内存中，以便以后可以以动画的形式将它们可视化。为此，我选中了“选定参数”下的框并选择了适当的变量。

图 8跟踪输出参数的变化

执行这些选项后，您可以继续可视化结果。

结果分析

为了检查混合器中的速度分布并可视化湍流区域，我使用了“剪切图”选项，该选项允许在特定横截面上呈现结果。

选择创建图表后，用户可以通过多种方式呈现结果。可用的选项包括轮廓、等值线、矢量、流线和网格可视化。我决定使用轮廓和矢量来呈现速度。所得结果如下所示。

图9搅拌机内速度分布

在上图中，可以看到死区。可以看出，混合器本身下方的流体速度比靠近涡轮叶片的区域低得多。这意味着混合过程本身是不均匀的，并且存在混合更加强烈的区域，同时也存在混合几乎完全发生的区域。此外，在上图中您可以看到整个流体体积被分为两个混合子区域。它们标有两个矩形（黑色和红色）。这不是一个可取的现象，最终应该尽可能地消除或最小化。

图10混合分区标记

此外，为了更好地可视化结果并了解混合器的工作原理，SOLIDWORKS Flow Simulation 允许您生成穿过给定曲面或平面的流线。正如您所看到的，下图证实了两个混合子区域的存在。

图 11流线

SOLIDWORKS 程序还包括绘制对已定义计算目标的更改的选项。如下图所示，平均速度和扭矩在特定值附近振荡。这意味着应该定义更密集的网格或者应该减少时间步长。

图12平均速度图

图13扭矩图

扩展分析

完成上述步骤后，我决定通过向混合器中添加染料来扩展模拟。为此，我在几何体中添加了一个与 Rushton 涡轮叶片高度相同的球。以这种方式定义几何形状后，我为球分配了适当的参数。

图 14添加染料几何形状

为此，我使用了“示踪剂研究”工具，该工具允许检查现有载液中特定掺杂剂（示踪剂）的流动，假设掺杂剂的存在对载液流动的影响可以忽略不计。如果掺杂剂浓度相对较低，则该假设是合理的。我还选择水作为掺杂剂流体，并决定其扩散时间为 5 秒，其初始体积分数为 0.0005。

图15 染料的物理性质

作为边界值，我决定质量分数为 0.1。以这种方式定义的混合物允许进行计算。下图显示了染料如何遍布整个水箱容积。

图 16染料在槽中的扩散

一如以往，谢谢阅读，快乐阳光！——SOLIDWORKS代理商（SOLIDWORKS 2024）