在醫(yī)藥、食品、環(huán)境等領(lǐng)域存在著大量的液固非均相生化反應(yīng)，其中固體物質(zhì)常作為催化劑、脫水劑、縮合劑等存在于反應(yīng)液中。固體在液體中的分散好壞直接影響著反應(yīng)的效率。目前已有多種形式的反應(yīng)器用于生化反應(yīng)的流體混合，但機(jī)械攪拌式反應(yīng)器由于其攪拌器結(jié)構(gòu)多樣、操作范圍寬，在生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)領(lǐng)域始終占著主導(dǎo)地位。然而這并不能說明機(jī)械攪拌式反應(yīng)器就是一種混和性能優(yōu)良的生化反應(yīng)器，事實(shí)上，隨著反應(yīng)器規(guī)模的增大，相間混合不均勻問題逐漸顯現(xiàn)且愈演愈烈。要解決這一問題，必須從反應(yīng)器設(shè)計(jì)入手，但傳統(tǒng)的宏觀關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法已顯得無濟(jì)于事。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)理方法和流體力學(xué)的進(jìn)展，近年來，出現(xiàn)了一門新的交叉學(xué)科，即計(jì)算流體力學(xué)（簡稱CFD）。CFD技術(shù)為解決上述問題提供了新思路和新方法，不僅對反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)意義，而且對放大和混合的基礎(chǔ)研究具有理論價(jià)值。
 

CFD可以在設(shè)計(jì)中對攪拌槳進(jìn)行計(jì)算處理。對于攪拌生化反應(yīng)器中攪拌槳與擋板之間相對移動(dòng)的動(dòng)界面處理，在過去相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，一般采用將攪拌槳作為黑箱處理的方法，即由實(shí)驗(yàn)測得攪拌槳周圍虛構(gòu)表面的速度場作邊界條件或?qū)~對流體的作用看作流體動(dòng)量的產(chǎn)生源。這種方法的主要缺陷是缺少有效的、穩(wěn)定的邊界條件，同時(shí)不能考慮到攪拌槳本身幾何形狀對流體的作用，從而達(dá)不到優(yōu)化攪拌槳和攪拌槽及操作參數(shù)的目的。因而必需要有一種新方法來加以解決。

近年來滑移網(wǎng)格思想得到廣泛應(yīng)用，整個(gè)流動(dòng)區(qū)域被分成兩部分，應(yīng)用兩不同的塊網(wǎng)格作相對滑移運(yùn)動(dòng)來模擬攪拌槳與擋板之間的相對運(yùn)動(dòng)。這是一種應(yīng)用方便、行之有效的方法，它不需要實(shí)驗(yàn)手段輔助。本文采用類似的處理方法——旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的方法，流動(dòng)區(qū)域同樣被劃分成兩部分，代表攪拌槳部分流體流動(dòng)在旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系下計(jì)算，其它部分在固定的參考坐標(biāo)系下計(jì)算，兩者之間的交界面進(jìn)行一定的速度修正。

在一種單一操作工況下的機(jī)械攪拌生化反應(yīng)器模擬研究中，反應(yīng)器具有碟形底部、內(nèi)裝4塊擋板、攪拌槳采用單層六平葉圓盤渦輪槳（Rushton型），其攪拌轉(zhuǎn)速為320r/min。擋板的寬度采用設(shè)備直徑的1/9，擋板與器壁間空隙取1/100，空隙能防止死角及固體堆積。

為了模擬生化反應(yīng)的液固混合特征，選取可比性較好的水-氧化鋁混合物體系進(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn)。混合物體系主要由液體組分水和固體組分活性氧化鋁組成，其中固體氧化鋁含量為13.3%，粒度為0.147～0.246mm范圍。

網(wǎng)格劃分：對于帶有六平葉圓盤渦輪槳與4塊擋板的攪拌生化反應(yīng)器，由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，故可以用通過軸心的垂直截面將其分成的對稱的兩部分，只對其中一部分進(jìn)行構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用在正交圓柱坐標(biāo)下的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)采用分塊網(wǎng)格技術(shù)。在反應(yīng)器中心部位網(wǎng)格線較密、外圍較疏，這也是由流動(dòng)的特點(diǎn)決定的。這樣可以減少假擴(kuò)散，對解的收斂和求解速度都十分有利。

邊界條件：設(shè)定連續(xù)相流體在反應(yīng)器壁處的流動(dòng)速度為0，即無滑移邊界條件，而對分散相顆粒則設(shè)為存在滑移行為；假定流體表面與大氣無摩擦，在反應(yīng)器的液體表面采用所謂的自由滑移邊界條件；在輪軸處采用無移動(dòng)及軸對稱設(shè)定。

數(shù)值運(yùn)算：整個(gè)方程組的求解是通過流體工程軟件CFX-4.4完成，兩相流模型的計(jì)算方法采用修正的內(nèi)部各相有滑移算法。通過有限體積法將微分方程組離散成差分代數(shù)方程組后，各變量差分方程用沿主流方向逐線掃描的低松弛迭代求解。

圖1為在α= 90°垂直截面上的液相速度矢量圖，從圖1可以看出在流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下，垂直截面上流體形成兩個(gè)軸向環(huán)流，環(huán)流中心位于攪拌槳葉的上下兩個(gè)區(qū)域，正是這樣的環(huán)流促進(jìn)了不同區(qū)域物料的混合。在攪拌槳附近，液體質(zhì)點(diǎn)受的剪切作用力大，具有較大的湍流動(dòng)能和流動(dòng)速度，其帶動(dòng)固體顆粒的輸運(yùn)能力強(qiáng)，故此區(qū)域的傳質(zhì)效率高。相反，在反應(yīng)器底部區(qū)域，液體質(zhì)點(diǎn)只能獲得較小的流動(dòng)速度，因而此區(qū)域zui有可能成為物料堆積的死區(qū)。

固體體積分?jǐn)?shù)分布，就是在不同的區(qū)域里固體成分所占的體積百分比，它與分散度有直接的對應(yīng)關(guān)系，它同樣可以給出混勻效果的評價(jià)信息。圖2為固體體積分?jǐn)?shù)在α= 30°垂直截面上的等值線圖，圖3為固體體積分?jǐn)?shù)在z = 0.3175水平截面上的等值線圖，從兩圖中可以很直觀的看出其分布并不均勻。從圖2看，在攪拌槳的上下存在兩個(gè)混合較好的區(qū)域，它與渦心的存在有直接的關(guān)系，在渦心內(nèi)部渦量值高，混合效果好。而在反應(yīng)器底部區(qū)域，固體體積分?jǐn)?shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，因?yàn)樵诜磻?yīng)器底部區(qū)域，顆粒獲得的湍流耗散力及離心力極小，并且在重力的沉降作用下很難獲得較大的輸運(yùn)速度，故大量固體在此堆積。這可以解釋為什么目前應(yīng)用更廣的是單槳軸流式攪拌或者多渦輪組合式攪拌，其目的是為了增加反應(yīng)器的軸向泵送能力。

從圖3總體來看，在反應(yīng)器近壁處固體體積分?jǐn)?shù)值zui高，相反，近攪拌軸處其值zui小，而兩者之間則呈現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的區(qū)域分布。這與固體顆粒在不同區(qū)域所獲作用力有關(guān)，在離心力作用下，固體顆粒從反應(yīng)器中心區(qū)域向邊緣移動(dòng)；而由于湍流的存在，勢必在不同區(qū)域具有不同的渦量值以及不同的湍流耗散力，因而在攪拌軸與器壁之間存在著復(fù)雜的區(qū)域分布。

綜上所述，從應(yīng)用旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系來處理攪拌槳與擋板之間相對移動(dòng)的動(dòng)界面出發(fā)，建立固液兩相的湍流雙流體模型，并運(yùn)用工程流體軟件CFX-4.4對流體流動(dòng)控制方程組進(jìn)行了三維數(shù)值模擬運(yùn)算，從中可以得到以下結(jié)論：

a） CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，偏差在10%以下，說明本模擬所建立的數(shù)學(xué)模型是有效的，可用于機(jī)械攪拌式反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)及放大和混合的基礎(chǔ)研究。

b） CFD數(shù)值模擬可以得到包括速度分布、流動(dòng)形態(tài)、固體體積分布及表征混勻效果的分散度等諸多信息，具有詳盡、直觀的特點(diǎn)，可直接為反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作等提供參考。

c） 采用CFD技術(shù)這一現(xiàn)代化的虛擬設(shè)計(jì)手段不僅可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高實(shí)驗(yàn)效率，而且能夠節(jié)省大量的人力物力，降低設(shè)計(jì)成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。