一款可用于分析與優(yōu)化攪拌器設(shè)計

今天，我們將介紹一款可用于分析與優(yōu)化攪拌器設(shè)計，及其針對特定流體的操作狀況的 App 。示例 App 對攪拌釜式反應(yīng)器進(jìn)行了建模與仿真，這種裝置常用于精細(xì)化工、制藥、食品和消費(fèi)品行業(yè)的反應(yīng)器。

用于優(yōu)化攪拌器設(shè)計的 App

除了上述產(chǎn)業(yè)之外，攪拌間歇式反應(yīng)器還常用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的動力學(xué)研究以及新型合成工藝的開發(fā)。所有工藝均要求反應(yīng)器內(nèi)的溶液組成與溫度達(dá)到相對均勻的狀態(tài)。這一目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可再現(xiàn)的、統(tǒng)一的產(chǎn)品質(zhì)量的必經(jīng)之路。

通過創(chuàng)建 App，您可以提供一個用戶友好的仿真環(huán)境，允許科學(xué)家、工藝設(shè)計師和工藝工程師對容器、葉輪和操作條件如何影響攪拌效率及驅(qū)動葉輪所需的功率進(jìn)行研究。我們創(chuàng)建了“攪拌器”App，希望它有助于您自己動手構(gòu)建類似的 App 。

在設(shè)計 App 時，一個挑戰(zhàn)是自動更新完全參數(shù)化幾何的幾何形狀、物理場和網(wǎng)格設(shè)置。添加完全不同的幾何對象也有難度，這取決于用戶在 App 運(yùn)行時的輸入?！皵嚢杵鳌盇pp 演示了幾何零件的使用方法，以及如何利用累積選擇實(shí)現(xiàn)模型設(shè)置的自動操作。

此外，該示例演示了如何使用COMSOL Multiphysics開發(fā) App，并利用幾何零件和累積選擇，自動為嵌入到 App 中的模型設(shè)置域和邊界。即使 App 用戶選擇生成差異極大的幾何形狀，系統(tǒng)也能夠自動創(chuàng)建這些設(shè)置。

演示 App 的外觀

下方帶注釋的用戶界面（UI）截圖顯示了 11 種可添加到模型中的葉輪（1）以及釜（2）的類型：帶與不帶擋板的碟形底、平底和錐底。之后我們將針對不同類型來設(shè)定葉輪和容器的尺寸。在Fluid Properties & Operating Conditions 欄（3）中，選擇葉輪的流體屬性和旋轉(zhuǎn)速度。Home 功能區(qū)選項卡（4）包含網(wǎng)格和計算按鈕，可生成數(shù)值模型并求解模型方程。

結(jié)果顯示了反應(yīng)器的三維模型（5）和垂直截面中的渦流擴(kuò)散率和速度場。截面可以旋轉(zhuǎn)，以各種角度展示軸四周的結(jié)果（6）。App 還計算了攪拌時間尺度（7）。

帶注釋的“攪拌器”App 屏幕截圖。

在此例中，葉輪配備有三片軸向葉輪，每片葉輪都有兩塊 C 形雙葉片，沿長度方向分布——即所謂的 Ekato? Intermig 葉輪。截面顯示渦流擴(kuò)散系數(shù)，它可用于測量局部的混合程度，紅色代表“好”，藍(lán)色代表“壞”。

11 種類型的葉輪給創(chuàng)造各種各樣的葉輪形狀提供了很大的自由度。例如，您可以將翼形槳或定螺距槳與切邊及圓角進(jìn)行組合，創(chuàng)建各類螺旋槳式葉輪。

使用定螺距翼形槳創(chuàng)建不同的葉輪形狀，定螺距槳屬于 App 提供的 11 種可用的葉輪之一。

利用圓角，可以將帶折疊葉片的斜葉輪中創(chuàng)建成折疊端為圓形的不對稱葉片。

嵌入模型的詳細(xì)信息

嵌入模型的幾何形狀是通過許多幾何零件 定義的。例如，軟件提供了十一個不同的零件，每個零件對應(yīng)一種葉輪。

零件實(shí)例（1）在主幾何序列中調(diào)用這些零件。零件實(shí)例使用參數(shù)作為輸入。您可以將零件實(shí)例比作使用輸入?yún)?shù)作為變元的函數(shù)調(diào)用。這些輸入?yún)?shù)（2）控制了由零件定義的幾何的尺寸和構(gòu)型。舉例來說，C-形雙葉片軸向葉輪可以接收表示葉輪半徑和葉片數(shù)量的參數(shù)。通過零件定義的幾何也可以相對于主幾何序列中的其他對象來確定其位置，例如相對于主序列中的工作平面（3）。

零件的輸出是幾何對象（或多個對象）本身以及許多選擇。一個在零件中創(chuàng)建選擇的示例是葉輪葉片 選擇。

零件實(shí)例創(chuàng)建的選擇可能對域、邊界、邊和點(diǎn)選擇有貢獻(xiàn)。例如，臂 選擇和C-形葉片 選擇都對邊界選擇——“葉輪葉片”（4）有貢獻(xiàn)?！叭~輪葉片”選擇被稱為累積選擇。

注意：我們在這篇博客文章中詳細(xì)地介紹了累積選擇。

App 嵌入模型的零件實(shí)例從零件中獲取輸出選擇，并根據(jù)其設(shè)置窗口中的設(shè)置將它們在集中到累積選擇中。

同樣地，多種葉輪和葉片類型可以對葉輪葉片 選擇有貢獻(xiàn)。在設(shè)定邊界條件時，貢獻(xiàn) 欄下的累積選擇將顯示在所有邊界條件特征的列表框中。

相同的方法適用于容器和固定到容器壁上的擋板的定義。

通過（在幾何零件中）創(chuàng)建對定義在零件實(shí)例中的其他累積選擇有貢獻(xiàn)的選擇，我們得以使物理場、網(wǎng)格和繪圖設(shè)置中的域、邊界、邊和點(diǎn)選擇能夠自動更新。幾何更改后，所有其他設(shè)置中的選擇將立即隨之更新，請參考下圖。

App 的底層物理場

模型中的物理場非常簡單。模型方程是描述流體流動的納維-斯托克斯方程，以及定義在空間的每一個點(diǎn)上、描述湍流粘度的分布代數(shù)方程。代數(shù)方程采用到無滑移壁的距離作為方程變量。我們通過在模型中求解壁距離函數(shù)方程來計算出這一距離。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子近似來求解流動方程。

為了自動更新域設(shè)置和邊界條件，我們普遍使用了累積選擇。例如，流體流動 接口中的旋轉(zhuǎn)內(nèi)壁 邊界條件從葉輪葉片 累積選擇中獲取了選擇（見下圖）。

截圖詳細(xì)展示了 旋轉(zhuǎn)內(nèi)壁從關(guān)聯(lián)的“葉輪葉片”累積選擇中獲取選擇。

嵌入模型采用了物理場控制網(wǎng)格。App 自動生成網(wǎng)格時，對邊界層劃分了網(wǎng)格，以解析在無滑移壁和旋轉(zhuǎn)壁上形成的邊界層。

解器的計算步驟分為兩步。第一步計算壁距離，因?yàn)檫@個問題與流場無關(guān)。第二步計算納維-斯托克斯方程和湍流方程的解。湍流方程使用壁距離函數(shù)作為輸入。

圖像顯示攪拌器 App 的渦流擴(kuò)散率和速度流線。與上一張圖相同的是，此模型有三個 C-形雙葉片，不過它增加了四個擋板。

“App 開發(fā)器”的 UI 結(jié)構(gòu)

下圖顯示了“App 開發(fā)器”的“表單編輯器”中的“攪拌器”App，用戶可以在功能區(qū)菜單中選擇各種圖形和控件，然后拖放到用戶界面中來進(jìn)行設(shè)計。

App UI 包括兩塊區(qū)域：

左側(cè)是文本輸入和輸出區(qū)域，標(biāo)題“設(shè)置”顯示為藍(lán)色

右側(cè)是圖形輸出區(qū)域，標(biāo)題“圖形”同為藍(lán)色

使用“App 開發(fā)器”構(gòu)建中的 App UI。

上方的“App 開發(fā)器”截圖展示了 App 的 UI 結(jié)構(gòu)。利用 Main Window 設(shè)置（2）中的表單引用，main（1）表單被鏈接到 Main Window 節(jié)點(diǎn)（2）。主表單包含兩個帶選項卡的表單集合。

第一個表單集合包含 general（3）和 impeller_settings 表單（4），標(biāo)題 General 和 Impeller 分別顯示在各自的選項卡（5）中。General 和 impeller_settings 表單也是欄表單集合，它們包含“App 開發(fā)器”樹中以 general_ 和 impeller_ 開頭的所有其他表單。欄表單集合對各自的成員表單進(jìn)行了分組，舉例來說，以 Tank Type & Dimensions 為欄標(biāo)題（6）的 general_tank 表單（6）。

主表單中的第二個表單集合為圖形表單（7）。圖形表單也在選項卡中建立了分組，它對應(yīng)“App 開發(fā)器”樹中以 graphics_ 開頭的表單。例如， graphics_geometry 表單是（8）是標(biāo)題為Geometry（9）的表單，見上方截圖頂部。

表單中的控件基本上都可以與模型中的命令建立鏈接。例如，Tank Type 列表框（10）鏈接到了一個方法，App 用戶更新幾何時，該方法會選定要構(gòu)建的釜的類型。功能區(qū)中的 Update按鈕控件（11）又鏈接到可對嵌入模型的幾何進(jìn)行更新的方法。

其他擴(kuò)展功能

雖然看似復(fù)雜，但只要嵌入模型可用，“攪拌器”App 就很容易創(chuàng)建。幾何零件和累積選擇的設(shè)計也使得嵌入模型更容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化和自動化。

App 的后續(xù)版本將包含兩相流以及我們需要的葉輪扭矩、流數(shù)和泵送能力的數(shù)據(jù)輸出。