1.1  工业背景与研究意义

搅拌操作在化工、食品、医药工业中应用范围非常广泛，能够使两种或以上的介质充分接触，通常被用于物料混合、溶解、传热和各种反应等。操作过程中使用的介质可以是气体、液体和固体，但是主要为液体，本次研究使用的介质是水。

搅拌过程的基本作用是混合。研究表明，无论是搅拌机理，还是具体的搅拌器结构设计和搅拌功率的计算都与参与搅拌过程的介质性质有密切的关系。因此，工程设计中，根据物料不同，搅拌类型可分为均相液液混合、非均相液液分散、气液分散混合、高粘度流体搅拌以及固液悬浮搅拌[1]。

搅拌器的结构类型对搅拌操作的效果有很大的影响。长期以来，工程设计人员和研究人员已经开发了各种结构类型的搅拌器，如推进式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、桨式、锚式和框式、螺杆式等搅拌器，每一种结构的搅拌器都只对某一种或几种搅拌操作有良好的效果，任何一种搅拌器不可能适合所类型的搅拌操作。如推进式搅拌器一般适用于低黏度的混合操作，而螺杆式搅拌器适用于高粘度流体的搅拌操作。工程上要注意选择。本次研究选用的是六直叶圆盘涡轮式搅拌器，一般用于气液相搅拌效果最好，具有较高的容积循环速率和剪切率。

一般在低黏度的液体搅拌操作中，搅拌容器会安装挡板，其作用是使得槽内流体在受搅拌器旋转的作用下，能消除漩涡，并能产生上下翻腾的流动，使流体易形成湍流的流动状态，同时提高桨叶的剪切性能[1]。本次研究主要是在无挡板条件下进行的，所以搅拌的效果和模拟出来的结果不如有挡板的情况。

流体力学有三种研究方法：理论研究方法、实验研究方法和数值计算方法即CFD技术，这三种方法可相互配合，相互参考。理论研究方法能够清晰、普遍地揭示出流动的内在规律，但至局限于少数比较简单的理论模型，且对研究人员的理论素养和数学功底有较高的要求。实验研究方法结果可靠，但局限于相似准则不能全部满足、尺寸限制、边界影响等，同时需要大量经费，研究周期长。数值计算方法所需时间和费用都较少，具有较高的精度。随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）技术及软件的迅速发展，在搅拌混合过程的数值模拟方面的研究工作越来越多，从高黏层流到低黏湍流，从二维到三维都有许多论文发表。由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的时变特性，如速度场、压力场、温度场、浓度场等，因而不仅可以准确预测搅拌器的整体性能，而且很容易从流体的分析中发现产品或工程设计中的问题，减少未预料到的负面影响，这样大大减少了产品没计或优化对实验的依赖性，能够显著缩短设计周期，降低费用。充分掌握搅拌器内的湍流特性、温度、组分浓度分布等规律对搅拌器的性能优化设计、指导操作、自动化控制具有重大的现实意义[1]。

CFD技术是对流动、传热、传质、燃烧、化学反应等工程现象进行数值模拟分析的总称，CFD技术应用在新产品开发、工程研究与优化设计、工程评估中是本世纪的重要发展方向。把搅拌器功率曲线，经过一定的放大比范围内，且严格按规定的方法进行计算，其精确度基本上能满足工业生产的需要[2]。

1.2  Fluent的介绍及应用

1.2.1  Fluent软件的简介

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，只要涉及流体、热传递及化学反应等工程问题，都可以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。