今天，我們將介紹一款可用于分析與優(yōu)化攪拌器設(shè)計(jì)，及其針對(duì)特定流體的操作狀況的 App 。示例 App 對(duì)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(jì)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(dòng)力學(xué)研究以及新型合成工藝的開(kāi)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(duì)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(guò)創(chuàng)建 App，您可以提供一個(gè)用戶(hù)友好的仿真環(huán)境，允許科學(xué)家、工藝設(shè)計(jì)師和工藝工程師對(duì)容器、葉輪和操作條件如何影響攪拌效率及驅(qū)動(dòng)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(dòng)手構(gòu)建類(lèi)似的 App 。

在設(shè)計(jì) App 時(shí)，一個(gè)挑戰(zhàn)是自動(dòng)更新完全參數(shù)化幾何的幾何形狀、物理場(chǎng)和網(wǎng)格設(shè)置。添加完全不同的幾何對(duì)象也有難度，這取決于用戶(hù)在 App 運(yùn)行時(shí)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(dòng)操作。

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

演示 App 的外觀

下方帶注釋的用戶(hù)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(lèi)型：帶與不帶擋板的碟形底、平底和錐底。之后我們將針對(duì)不同類(lèi)型來(lái)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(xiàng)卡（4）包含網(wǎng)格和計(jì)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(chǎng)。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(jì)算了攪拌時(shí)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(zhǎng)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(cè)量局部的混合程度，紅色代表“好”，藍(lán)色代表“壞”。

11 種類(lèi)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(lèi)螺旋槳式葉輪。

使用定螺距翼形槳?jiǎng)?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(duì)稱(chēng)葉片。

嵌入模型的詳細(xì)信息

嵌入模型的幾何形狀是通過(guò)許多幾何零件 定義的。例如，軟件提供了十一個(gè)不同的零件，每個(gè)零件對(duì)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?cè)暮瘮?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(lái)說(shuō)，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(guò)零件定義的幾何也可以相對(duì)于主幾何序列中的其他對(duì)象來(lái)確定其位置，例如相對(duì)于主序列中的工作平面（3）。

零件的輸出是幾何對(duì)象（或多個(gè)對(duì)象）本身以及許多選擇。一個(gè)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(duì)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(duì)邊界選擇——“葉輪葉片”（4）有貢獻(xiàn)?！叭~輪葉片”選擇被稱(chēng)為累積選擇。

注意：我們?cè)谶@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?cè)诩械嚼鄯e選擇中。

同樣地，多種葉輪和葉片類(lèi)型可以對(duì)葉輪葉片 選擇有貢獻(xiàn)。在設(shè)定邊界條件時(shí)，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(guò)（在幾何零件中）創(chuàng)建對(duì)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(chǎng)、網(wǎng)格和繪圖設(shè)置中的域、邊界、邊和點(diǎn)選擇能夠自動(dòng)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(qǐng)參考下圖。

App 的底層物理場(chǎng)

模型中的物理場(chǎng)非常簡(jiǎn)單。模型方程是描述流體流動(dòng)的納維-斯托克斯方程，以及定義在空間的每一個(gè)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(wú)滑移壁的距離作為方程變量。我們通過(guò)在模型中求解壁距離函數(shù)方程來(lái)計(jì)算出這一距離。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子近似來(lái)求解流動(dòng)方程。

為了自動(dòng)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(dòng) 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(jiàn)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(chǎng)控制網(wǎng)格。App 自動(dòng)生成網(wǎng)格時(shí)，對(duì)邊界層劃分了網(wǎng)格，以解析在無(wú)滑移壁和旋轉(zhuǎn)壁上形成的邊界層。

解器的計(jì)算步驟分為兩步。第一步計(jì)算壁距離，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題與流場(chǎng)無(wú)關(guān)。第二步計(jì)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(gè) C-形雙葉片，不過(guò)它增加了四個(gè)擋板。

“App 開(kāi)發(fā)器”的 UI 結(jié)構(gòu)

下圖顯示了“App 開(kāi)發(fā)器”的“表單編輯器”中的“攪拌器”App，用戶(hù)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(hù)界面中來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(kāi)發(fā)器”構(gòu)建中的 App UI。

上方的“App 開(kāi)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(gè)帶選項(xiàng)卡的表單集合。

第一個(gè)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(xiàng)卡（5）中。General 和 impeller_settings 表單也是欄表單集合，它們包含“App 開(kāi)發(fā)器”樹(shù)中以 general_ 和 impeller_ 開(kāi)頭的所有其他表單。欄表單集合對(duì)各自的成員表單進(jìn)行了分組，舉例來(lái)說(shuō)，以 Tank Type & Dimensions 為欄標(biāo)題（6）的 general_tank 表單（6）。

主表單中的第二個(gè)表單集合為圖形表單（7）。圖形表單也在選項(xiàng)卡中建立了分組，它對(duì)應(yīng)“App 開(kāi)發(fā)器”樹(shù)中以 graphics_ 開(kāi)頭的表單。例如， graphics_geometry 表單是（8）是標(biāo)題為Geometry（9）的表單，見(jiàn)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(gè)方法，App 用戶(hù)更新幾何時(shí)，該方法會(huì)選定要構(gòu)建的釜的類(lèi)型。功能區(qū)中的 Update按鈕控件（11）又鏈接到可對(duì)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(jì)也使得嵌入模型更容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化和自動(dòng)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。