机械和燃料效率

混合充分Aditya Birla Science&Technology有限公司研发

了一种供纤维制造业使用的改进型混合罐叶轮。

这种被推荐的设计方案可实现5倍的固体悬浮物

混合性能，并且功耗降低12%。仿真技术帮助工

程团队制定了正确的设计决策，从而在混合性能

与功耗之间取得完美平衡。

粘胶短纤维(VSF)是一种特性与棉相似的人造生物降解纤

维（经常被称为人造纤维），可用于制作服装或其它用途的面

料。VSF的制造方法是在氢氧化钠中溶解固相木浆，再施加压

力让溶液通过金属盖中的微孔。溶液形成细丝，并组合成连续的

细线，然后通过液体或加热的空气而实现固化。纸浆与氢氧化钠溶

液的混合需要耗费时间和电力，因此更高效的混合方法能帮助纤维生产商

节省成本和生产时间。Aditya Birla集团是全球最大的VSF生产商。Aditya Birla

Science & Technology有限公司的工程团队充分发挥计算流体动力学(CFD)的优

势，研发出一款能够提高混合效率并降低功耗的叶轮。

VSF生产工艺的仿真

除了VSF之外，Aditya Birla集团也是全球最大的炭黑制造商，而且在铝/

铜生产、品牌服装、移动通信、人寿保险和零售商店领域居于行业领先位置，

其2014年的收入高达410亿美元。该集团的研发公司Aditya Birla Science &

作者：Manoj Kandakure， Aditya Birla Science & Technology 有限公司流程工程与仿真部门 首席科学家，印度Maharashtra

< 改进型叶轮设计

36 ANSYS ADVANTAGE 2016年 | 第3期

Technology与各个业务

部门通力合作，旨在提

高工艺性能。

VSF生产中的第一

步是在混合罐中将氢氧

化钠和木浆以3:1的比例

进行混合。混合罐是高

度与直径比近似等于1

的圆柱体。金字塔形状的叶

轮位于混合罐的底部。

研发团队首先用ANSYS CFX CFD软件对现有的混合器

配置执行稳态多相仿真。混合罐被分成170万个非结构化

的四面体单元。在靠近叶轮的位置生成精细网格，在罐的

其他位置则生成粗糙的网格。团队采用冻结转子混合模型

来模拟叶轮运动，使用Euler–Euler非均质多相模型仿真

系统的多相位液体–固体混合特性。采用标准k-ε湍流模型

可用于解释混合过程的湍流特性。没有对罐内发生的反应

过程进行建模。

仿真之前，工程师假设混合罐最初装入的固体浆体

和液体溶液的密度比为0.42。由于液体溶液更重，因此在

仿真最开始液体占据了混合罐

的底部。混合值被定义为混

合罐体积的百分比，液体体

积分数为0.65至0.85。工

程师在叶轮叶片上施加由

CFD计算得到的压力，以获

得扭矩值，然后用该值计

算功耗。

现有混合器的仿真

案例I使用现有的

金字塔形状的叶轮，

旋转速度为500rpm，

叶 轮 直 径 与 罐 直 径

(D/T)比为0.258，中

心线与罐高度 ( C / T )

比为0.17。C/T值很

重要，因为罐中的液

位必须保持在叶轮高度之上，以避免固态浆体飞溅到罐

壁上。叶轮高度的增加会减少每批吸走的浆体量。标准

的速度矢量图显示，这种叶轮能在罐底部形成良好的循

环，但是罐的上半部分吸力很小。仿真得到的液体体积

分数曲线图显示，混合值仅为11.26%，估计功耗为

60千瓦(kW)。

通过迭代获得精心优化的设计

研发团队继续评估其他可能的叶轮设计方案，旨

在改善混合操作性能。为了得到最佳的混合器设计，他

们需要在混合性能和功耗之间进行权衡。最后的设计方

案 ， 即 案 例 V I ， 通 过

在罐底附近放置弯曲叶

片的叶轮，成功将旋转

速度从500rpm（案例1）

降到350rpm。该配置的混

合值提高到了63%，是案例I

的5.6倍，同时功耗降低到了

52.6kW，更加优于案例I。案例

^混合过程实现了更低的功耗。

^ 初始设计（左）和最终设计（右）的整个混合罐中的液体体积分数曲线图。在初始设计中，顶部区域有很多颗粒；颗粒与

液体的混合效果较差，而且叶轮没有足够的吸力将颗粒吸到底

部。整体改善情况要优于单个2D平面所反映出的情况。

“Aditya Birla集团利用CFD研发一款

能够将混合效率提高五倍以上、

并将功耗降低多达7kW的叶轮。”

© 2016 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 37

充分混合（续）

VI建模的叶轮被证明是最高效的设计，能够实现最大的混

合效率和功耗优势。

修改后的设计有望缩短批次生产用时，提高产量并降

低工艺成本。与之前的叶轮设计相比，新设计方案具备更

大的吸力、更好的混合值，因此未混合固体的量在减少，

案例I 案例II 案例III 案例IV 案例V 案例VI （初始 （最终方案） 配置） 所做的变更 金字塔形状的 金字塔形状的 弯曲叶片 弯曲叶片的 弯曲叶片的 弯曲叶片的

叶轮 叶轮。 向下流动的 叶轮带圆锥。 叶轮靠近 叶轮具有平滑

倾斜叶片 涡轮。更高的 罐底部。 圆锥外形以

向下流动的 叶片角度 实现更好的

涡轮。 混合。 死区减少。

改变后相较 罐上半部分的 吸力更强、 高功耗 从每批次吸入 混合效果好于

之前案例的 吸力更大。 更大的循环 的浆体量等于 案例1。

效果 罐底部的 回路。高功耗 案例1。流动 功耗低于案例I。 循环更佳。 曲线更好， 死区减少。 高功耗。

混合值(%) 11.26 30.71 77.6 68.28 67.1 63.0

功耗(kW) 60 74.3 118.5 150 157 52.6

^ 初始（左侧）和最终设计方案的速度矢量显示出改进后的混合性能。在改进后的设计中，弯曲圆锥和叶轮作为一个整体旋转，能够实现更佳的混合效果。与现有的设计相比，推荐设计的叶轮能产生更强的向下流动性能。

并且功耗也显著降低。这只是众多研究实例中的一个例

证。过去十年间，仿真技术一直帮助Aditya Birla集团提高

生产力，并降低制造业务的成本。

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