フルゾーンの流動･混合特性
F[owStru{1･LJreVesselcI

M盲x;ngCnd

Sl.irred

FULLZONE

with

irl

Chqrctc†er;s†ic
lmpeHer

技術開発本郡菊池

Masahiko

高田

Kazntakaprevious

wereexplained.

have

been

tally bytbeoreticany

upper

flow

circ山ating

flow

lower

paddlesandpattern

range.

Homogenious

by

the

localがき

by

some

and

its flowusingoflaminarflow

conditions

computationaldistribution.

(CFD)

andexperimen‑

andof FULLZONE
mixingcirc山ating

flows

from

under
fluid dynamics

attainedand

its linkage

overall

circulating
difference
the pressure

thefollows.

astheconnecting

localLthe cross∇iselyaroundits rotation.

overallability in the highmixing∇ith the.combined
byare

IⅥain res山tsflow

throughof FULLZONE
leads to its fairly goodvilュ beThe善

FULLZONEcharacteritics

is caused

operational

久ltoh

mixingstructuretime
and circ山ation
Velocity
local circulatingflows
and anoverall(2) Thisえpaper,

thistwoarearranged,

更In

measurlng

Thetwo.

thestudied(I) There

development

paper,

費‑

藤Hisayosi

the彦Takata伊ln雅Kikuchi

effectscまrc山atingof local mixing

viscositycausedflow.

環時間分布の測定R:は粒子追跡法を用いた5)o

当社は1991年1月,塩めて広い粘度範囲(層流から乱流桑作)において効率良い獲粋が可能な撹拝賀『フルゾーン』∋粒子には直径5mmのスポンジを用いた｡撹拝槽内の上段巽と下段巽の中間断面に検査面を設定し,粒子が撹押槽内を1循環すを開発して販売を開始した｡前報1)では主にフ)I/ゾ‑ンのる時間を測定した｡循環時間の測定個数は約500個とし唱発および撹搾性能について報告した｡本報および次報でた｡また,高精度液用の代表的な翼であるダブルヘリカル

よ,流動数値計算法を用い,理論的に流速および循環時間ケ布を執足すること忙より,実験的FLフjレゾーンを用いたンのそれと比較した｡

監拝槽内の流動･混合特性を解明することを試みた｡なお

2.結果およぴ考察

転報ではまず層流撹拝時の流動特性についてのみ報告す2. 1流動特性502. 1.

l.検討手法フルゾーy'を用いた撹拝槽内の流動状態をCFDケこより解析した結果をr‑z面における流速ベクト)I,として第11涜体数値解析(数値実顔).

層流撹辞時の撹群槽内流動を検討する場合,数値流体力芦(Computational

FluidDynamics以下Ci)ボン巽を用い如曹内の循環時間分布も実測し,フルゾー

1流動機構

国(a)‑(d)に示す.ここVL示した計算結果は信頼性の高い直F Dと略す))ミ有効であることから2)3)4),本報告でもCFDを用いて撹接計算法により求められたものであるが,計算結果が真に半槽内流動を定量的に把握することを試みた｡流体数値解斤ソフ†ウェア忙は汎用コードを撹群槽用に一部変更したある｡ここでは,半径方向流速の計算値とLDAによる実らのを用いた2)｡ハ‑ドゥェアとしては,解析費用を考慮する｡

正しい結果を与えているかどうかを検証することは重要で測値を比較した｡説明の便宜上,座標系を次のように定義

i/てエンジニア1)ングワークステ‑ジョン(EWS)を用
半径方向r′､た｡また,層流髭梓ではバッフルの有無で流動状態に大51な差が無いため,本報の解析は全てバッフ)I,無しの条件(軸中心をr‑0)

周方向β(下段翼平面部をβ‑0
軸方向z(槽底部をz‑0)ご行った.
2
流速測定第1図参照).

CFD結果の妥当性を確認するために,槽内径D‑0.4

第2国はz‑0.35

Ⅵ,槽高0･8mの透明アクリル樹脂製撹拝槽内(H/D‑H:液探)の流速をレーザードップラー流速計(以下..25,LDAと略す)を用いて測定したo撹群液忙は代表的なニm,r‑0.13mにおける半径方向流速分
布を円周方向ケこ対してプロッT.したものである｡巽前方ケこ発生する流速のピーク値は計算値と一致するが,ピーク間の流速にわずかの不一致が認められる｡この不一致は差分計算に基づく数値誤差に起因するものと考えられるoュ‑トン流体である水飴水溶液を用いたo3
循環時間分布の測定

しかし全体的な流速の増加･減少傾向は実測値と一致してい..

盈搾槽内の流動をマクロに把達して上記流動解析結果とD関係を検討するため忙槽内循環時間分布を測定した｡循

る｡また第3図はr‑0･13mvLおける半径方向流速値を軸方向距離vL対してプロッ†したものであるo流速の実測値

神鋼パンテツク技報

Vol.

B5 No.

3 (1991/12)

0.4(c) ♂‑1.87rado?こl;ニ賢(b) o‑1.Orad♂‑2.74

一ad(ー￣￣ー＼(a) β=0.32rad(d)0i‑r♂‑ 0 [rad]0.1 D.Z

0.30.4[m･s￣1]

Fig. 2Comparison.

0.1

r･0岳ection

第2図
CFDによる流速計算
値とLDAによる流速測定値の比較(Re‑10)of com･puted velocity andmeasuredvelocity

O3O304(Re‑ 10)

distribution

Velocity(r‑0.lam0.5,z‑0.35m)
β=Orad.

r‑130川皿,Exp.
Cat.
0.4

rg1

0･3Nb(a)O.2

第3図
C F Dによる流速計算値
L DAによる流速測定値

0.1との比較(Re‑10)
2‑0.1

00.10.2[m･sJl]ur

0.30A

Fig･. 3Comparison
velocity
velocity

andof computedmeasured(Re‑ 10)0.50.4(c)第1園
Fig･(d)0.3

CFDによるr‑z断面における流速ベクトル(Re‑10)1Computed

velocity

vectors

in r‑zplanes

0.2(Re‑10)第4図
鑑拝借内の軸方向圧力分布(Re‑10)0.1と計算値ほ良好に一致することから,計算結果の妥当性が確認された｡
O‑500

次に第1国の計算結果を用いて槽内の流動磯構を概説す

Pる｡(r‑0.1m,(a)

500

[Pa]

Fig. 4
Axial pressure
dist‑ribution irlthe agitatedvessel (Re‑10)

0‑1.Orad.)♂‑0.32rad下顔栗城より吐出された流体の一部は上殿巽域に達し再向拒離紅対してプロットしたものである.上段栗城では襲び下段栗城むこ吸い込まれるが,残りの流体は壁面付近を上前面忙位置するため圧力は正圧紅なるが,下段巽域でほ巽昇して液面にまで達し上段栗城に吸い込まれるo

後面軒こなるため圧力は負圧となることから,第1国0))に示

これより,この断面では下段巽付近を循環する循環流と下段責から液面忙まで及ぶような槽内全体を循環する循環流が形成されている｡
Cb)

上段栗城から吸い込まれた流体は下段巽域紅まで達しており,上段巽域と下段翼域との間で物質移動の促進が期待されるo

この流れは上段巽前方に発生する正圧と下段巽後方に発生する負圧の圧力勾配忙基づく｡この現象を槽内の圧力分布を用いて考察する.第4図はO3)断面におけるr‑0･1mにおける圧力(各点の圧力と大気圧との差)を軸方
No･(c) ♂‑1.87rad

上段葵城では,流体は巽の回転により半径方向へ吐出さ0=1.Orad

VTol･ 85

した流れはこの圧力勾酔こ起因することが示唆される｡

8(1991/12)

れ再び上段巽域へ吸い込まれるが,その一方で上段巽から下段栗城にまで達する軸方向流れも形成されている.これより■,この断面では上段巽上部を中心とする小循環流と,上段巽域から下段栗城にまで及ぶ循環流が形成されている.
(d)♂‑2.74rad下段栗城より吐出された流体の大半は上段巽中間付近に流入し,一部は槽壁に沿って上昇し液面付近vLまで達する｡

神鋼パンテツク技報

60I50④

̲一I‑‑I‑I‑I‑‑‑

̲̲‑‑‑‑‑一‑′40:釈⑤306rrIJ＋‑‑③②20､‑ヽ[sec]

モ=23.4‑ー‑‑‑‑‑､￣￣￣r=†t一‑‑∫‑￣10

̲‑I‑I‑I‑I‑

1写5因
Iig. 5層流撹梓時のフロ‑

第6囲

バク‑ン

Fig.

Flow

pattern

la皿inarflov0

フロ‑パターンの模式図
6

Schematicdiagram

124'

5[‑】

Tflo∇ pattern

at

3of

第8図

condition

Fig.

ダブルヘリカルリボン巽の循環時間分布(Re‑10)
8Circlllation

time

impeller

Re‑10

at

distributionof double

helical ribbon

60

あるいは

①→⑨‑④‑①‑㊥‑①50]'(1′‑2固練り返し)

40c:①→⑨‑④‑◎‑⑧‑①

釈30]A(3回以上繰り返し)
20
モ=36

ここでフルゾrンによる循環時間分布とダブ)Vヘリカ)i,rsec]

1)ボン巽(以下DIiRと略す)によるそれを比較するo第8図はDHRを用いた循環時間分布の実測値である.

10DflRを用いた場合の循環時間はt/i‑1･0を中心とした極めて
1

幕7囲Fig.

23Tト】

4

シャープな分布となるo一方フルゾーンを用いた撹搾槽内

5の循環時間分布のピークはt/i‑0･5付近に存在し,分布の幅はt/i‑4.5付近紅達しているo
この違いはDHRが軸流塾の撹辞巽であるのに対し,フ/i,ゾ‑ン襲は多少の軸流をフ)Vゾ‑ンの循環時間分布(Re‑10)
7Circulation

timedistributionof FULLZONE

at

Re‑10

有するが基本的には放射流塾の撹拝賀であることに起因する｡と. 1. 2

フローパターン

2. 2

流動解析および実測結果VL基づいたフローパターンを第混合特性

計算トこより求めた槽内流動場を用いて濃度方程式を独立5図忙示すoまた撹搾槽内の主な循環流の模式図を第6図

vL数値計算することにより撹拝槽内の混合過程を求めたo
第9囲むこI‑レーサー投入後の濃度分布の計算結果およびヨこ示す｡槽内では下段巽から上段翼下部付近にかけての循菜流,下段巽から液面付近にまで及ぶ循環流および上段巽した上部付近の循環流の3つの循環流が形成されているoウ素による着色実験結果(第9国写真)を示す｡これより,投入された†レーサーの拡散･移流過程の計算結果はがってこのフローパターンは,上段巽域および下段巽域に実測値とほぼ一致するoこのことは,淀速面のみならず混おける局所的な循環流vL基づく局所混合とそれらをうまく合過程の面からも数値計算法の正当性が確認されたことをっなぐ循環空尉こよって槽内全体での均一混合を実現すると考えられる｡
2. 1. 3
循環時間分布示す｡液面より投入された†
v‑サーは上段葵城で′J＼循環流を形成しながら下段巽域に達する｡下段巽域に吸い込まれた†レーサーは下段巽先端部より吐出されるが,その一部は再び下巌翼域に吸い込まれ,上段巽域から下段欝域へ

第7園は循環時間分布の実測値を無次元化したものである｡循環時間分布図中に示したそれぞれの区分A,ち,C流れ込む流体と合流する.そして残りは槽内壁面レこ沿っては第6図に示した3つの循環時の相互作用により形成され液面付近にまで達し,上段葵城より吐出された流体と合流る循環パターンである｡

2.1.2でして再び上原巽域より吸い込まれる｡これより,述べたフローパターンに基づく循環流間の物質交換は極め

A:①一㊥B : ㊨‑㊥‑④‑㊥‑①て盛んであることが容易に想像できるo

神鋼パンテツク技報

Vol. 85

No.

8 (1991/12)

2sec.

10sec.

4sec

12sec.

6sec.

14sec.

8sec.

16sec.

第9図
Fig･混合過程の計算値と実測値の比較(Re‑10)9むComparison

すof computed

concentration

distributionandび1)撹拝槽内では2つの局所的な循環流とこれらの循環流をつなぐ槽内全体におよぶ1つの循環流が存在す
る.槽内全体で生ずる1つの循環流は上段巽と下僚巽をクロスに配置することにより生ずる圧力勾配に起因する｡
2)撹拝槽内のフロ‑パタ‑ンに基づく物質移動ほ短めて良好である｡撹拝槽内でほ上段巽域および下段巽域における局所的な混合作用とそれらをうまくつなぐ循
環流の存在による槽内全体での均一混合を実現する｡
今回の報告はフ/レゾーンを用いた層流撹枠操作における槽内の流動･混合特性の解明に限定した｡遷移域からNo.

3 (1991/12)

photographs(Re‑10)

乱流域に至る流動･混合特性については機会を改めて報フルゾーンを用いた層流撹拝槽内の流動･混合特性をC
FD,流速測定および循環時間分布の面から解明することを試みた｡その結果次の結論を得た｡

Vol. 85experimental

告する｡[使用記号]
D:槽内径[m]d:巽径[m]t

f :循環時間頻度[%]
H:液深[m]
P:圧力[Pa]

ur

T:半径方向座標[m]:無次元循環時間[‑]‑t/モ:循環時間[s]i:平均循環時間[s]z:半径方向流速[m/s]:軸方向座標[m]Greekletters♂ :周方向座標[m]〔参考文献〕
35,1
菊池ら:神鋼パンテツク技報,(1991)
高田ら: ibid, 34,3 (1990)
54,505
梅垣:日本機械学会論文集,(晒和63)
上ノ山:化学工学論文集,14,6 (1988)
井上ら:化学コニ学, 33 (1969)

神鋼パンテツク技報