基于CFD的小型反应釜中不同湍流模型数值模拟比较
作者：李青云
来源：《当代化工》2020年第07期
        Flow Field Numerical Simulation of Different Turbulent
        Models in Miniature Reactor Based on CFD
        LI Qing-yun
        （School of Materials and Environment， Beijing Institute of Technology， Zhuhai Guangdong 519088， China）
        Abstract： The miniature stirred reactor with single-layer and four-blade agitator is commonly used in laboratories. In this paper， based on CFD numerical simulation， four turbulence models of standard k-ε， RNG k-ε， SST and RSM were used to simulate the flow field in a miniature reactor by multiple reference frame method. Different models’ predicted results of velocity field， pressure field， turbulence intensity distribution and linear velocity distribution in the blade region were compared， and suitable flow field model was screened out.
        Key words： CFD; Standard k-ε; RNG k-ε; SST; RSM; Multiple reference frame method
        釜式反應器是化工实验过程中广泛使用的反应混合装置。在反应釜设备中，保证料液混
合充分的是各式各样的搅拌桨设施[1]。实验室常用的小型反应釜中，一般采取单层四叶桨片，置于反应釜的中心，而且这种反应釜很少安装挡板。当反应釜内液体黏度较小时，搅拌桨周围很容易产生打漩现象，造成混合不够充分[2-4]。
        为了研究反应釜中流体的流动情况，CFD技术得到了广泛的应用reactor软件[5]。使用 CFD 方法进行模拟，可以减少实验量，湍流模型选择恰当时，能够较准确地模拟反应釜的流场[1， 6-11]。本文详细的比较了标准k-ε、RNG k-ε、SST k-ε、RSM等四种常用湍流模型[12-14]模拟釜式反应器流场的结果，分析速度场、速度矢量、湍动动能等不同模拟差异，到适合小型反应釜流场模拟的湍动模型，为釜型设备的搅拌和优化提供了指导依据[15-21]。
        为了解决搅拌桨桨叶区域和周围静止区域之间的相互作用问题，本文在釜式反应器的流场模拟中，采用多重参考系法，这种方法多用于稳定流场[22-24]。
        小型反应釜的直径D=210 mm，液面高H=
        210 mm，单层叶轮，搅拌桨采用4叶直叶片，叶片宽度为20 mm，厚度2 mm，叶轮直径取0.5D（106 mm），叶轮距反应釜底部60 mm，具体尺寸结构见图1和图2。
        多重参考系（MRF）方法将整个流场区域划分为静区和动区两部分。动区主要是包含搅拌桨在内的旋转流体区域，壁面和釜其他部分为静区，在动、静两个区域中同时进行求解，并在两区域的界面间进行两种参考坐标解的匹配[23]。
        该方法允许多流体彼此相对旋转，界面位置的选择比较重要。本文中反应釜内各区域的划分如图3所示，其中A为静区，B为动区，C为搅拌桨。

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