搅拌混合是指搅动液体使之发生某种方式的循环流动，从而使物料混合均匀或使物理、化学过程加速的操作。
应用：油气化工，生物制药，废水处理，建筑，电池制备，家电等等
现状：机械搅拌用于加快均相体系的混合、保持非均相体系的均匀分散或强化传热，对于不同的物料系统、不同的搅拌目的，需要工程师对不同类型的搅拌器做出选择。 影响搅拌釜搅拌功率的几何因素包括：搅拌器直径、桨叶的叶形（形状、长度、宽度、数量）、搅拌釜直径、物料的装液高度、搅拌桨叶在釜内的安装高度、挡板数量及宽度等。搅拌釜设计过程中有许多放大准则，但是针对具体的搅拌过程，究竟哪个准则比较使用却极大的依赖于经验。通过试验的方法逐级放大，造成设计过程周期长、投入的人力、物力、财力大。
从单元到系统存在多尺度，多区域以及多物理场的过程
挑战
‐ 通过加快设计速度缩短上市时间（放大：放大反应器所需的操作条件是什么？）
‐ 确保产品质量（准确预测混合时间；管理产品在剪切下暴露程度，例如防止细胞损伤）
‐ 混合不良会导致浪费
显著的仿真复杂性
‐ 对混合罐中的稳态和瞬态流进行建模
‐ 模拟混合容器中的层流和湍流
‐ 处理不同的流变学（恒定粘度，与剪切速率和温度相关粘度）
‐ 混合定量处理【后处理】，确定性的和统计性的（需要开发后处理工具，为决策提供定性、定量和统计结果）
Ansys关键功能应对挑战
• 内置功能：在Ansys Fluent中能对层流以及具有强大漩涡的的湍流进行建模
• 快速预处理：Ansys SpaceClaim和Fluent Meshing的组合，可以轻松处理搅拌混合器（叶轮、挡板）的细节，并能够对模型进行参数化，以进行假设研究
• 已验证：湍流模型已得到验证
• 可扩展：针对大型3D问题提供高性能计算（HPC）
混合时间预测
复杂流变性
剪切变稀效果清晰可见。叶轮周围的应变率最高，粘度最小。此外，在应变率非常低的地区，粘度最高。这将影响流场，如下图所示。
与这种复杂流变（剪切变稀）情况，局部测量速度与归一化径向位置非常吻合。
挑战
‐ 通过加快设计速度缩短上市时间（放大：放大反应器所需的操作条件是什么？）
‐ 确保产品质量（准确预测混合时间；管理产品在剪切下暴露的时间，例如防止微生物细胞损伤）
‐ 氧气传质和化学反应需要适当的混合程度（高效的气体分布器可提高气含率，从而改善传质；混合速率控制反应的快慢【速率、选择性和生产】）
‐ 涡旋，气体在液相中的停留，气相的短路
显著的仿真复杂性
‐ 前面描述单相搅拌器遇到的问题相同
‐ 模拟气泡，考虑不同的尺寸分布（气泡的尺寸通过群平衡计算）
‐ 准确预测传质速率需要准确计算气液接触面积
‐ 自由表面形状
‐ 气体滞留
气液流动：发酵罐建模
验证
传质（溶解氧）
优化
挑战
– 固体悬浮液是固体催化反应、晶体生长和溶解系统的关键问题
– 需要均匀的固体悬浮液
– 存在固体颗粒时功率的预测
– 均匀的固体悬浮液和流场，能够确保最大化的传质/反应速率（增加产量）
Ansys CFD工具的优势
‐ 流场的详细信息
‐ Ansys Fluent Eularian-Eularian (Granular) 模型被验证过能够模拟固体在流体中的运动
‐ 能够与与群平衡模型结合考虑直径的分布
‐ 剪切速率特性：许多晶体可能因暴露于高剪切区域而受损
‐ 预测悬浮速度
‐ 预测固体浓度分布(会影响反应/溶解速率)
‐ 传质预测（溶出）
云图高度
Ansys解决方案
挑战
‐ 量化物料混合:添加剂颗粒/液滴随时间的扩散
‐ 量化物料混合:颗粒/液滴“破碎”成更小的尺寸
‐ 混合器几何形状和操作条件的影响（e.g. rpm）
‐ 处理通常非常粘稠的材料，这些材料通常为非牛顿流体
‐ 连续系统的吞吐量（e.g.单螺杆和双螺杆挤出机）
‐ 避免因热/剪切而导致的材料降解
相关的仿真复杂性
‐ 由于啮齿几何结构的特性，使得仿真本质是瞬态
‐ 需要解析不同的尺度变化（啮齿的间隙以及整体的直径、长度）
‐ 复杂流变学（非牛顿流体与剪切速率和温度有关t）
‐ 非常高的佩克雷特数（非常薄的热边界层）
Ansys关键功能应对挑战
挑战
选择适当尺寸的静态混合器（成本），满足混合的同时：
‐ 将压降保持在限值内（运行成本）
‐ 避免由于粘性加热影响产品（产品质量）
‐ 确保温度均匀 （产品质量）
‐ 在高温下工作时的热应力
相关的仿真复杂性
‐ 几何结构具有大量复杂细节和小特征
‐ 非线性流变学 + 粘性加热（内部剪切）效应
‐ 当两种液体之间的粘度比较大时，导致数值收敛挑战
Ansys关键功能应对挑战
关键挑战
‐ 使用最少量的清洁剂清洁容器，在最短的时间内完成冲洗，降低成本.
模拟挑战
‐ 尺寸跨度大：容器尺寸通常以米为单位（甚至可能是十米），而喷雾喷嘴尺寸通常以毫米或更小为单位
‐ 为了确保覆盖范围，喷嘴的运动轨迹复杂（绕着不同的轴）。旋转可以是流量驱动的，也可以是电机驱动的。
Ansys关键功能应对挑战
关键挑战
‐ 仿真需要专业知识（前处理、设置和后处理）
‐ 操作员可能需要基本假设场景的结果，CFD分析师通常被占用
‐ 操作员培训（数字调试）
模拟挑战
‐ CFD需要培训（人力和专业知识）、软件和硬件
‐ 了解混合过程，需要预处理、问题设置和后处理方面的特定专业知识
‐ 某些模拟可能会占用大量CPU资源
Ansys关键功能应对挑战
‐ Ansys开发相应的模板，保留CFD专家的仿真经验，提高仿真效率。
‐ Reduced Order Models (ROM’s)可以很容易地创建用于混合模拟，工厂操作员可以轻松使用，这消除了对CFD知识，培训或模拟就绪硬件的需求。
‐ ROM’s还可以集成到Ansys Twin Builder中，表征更大的操作系统，其中包含用于数字调试和操作员培训的附加组件。
