“面多了加水，水多了加面？”搅拌过程预测方法来了！
概述
搅拌是工艺流程中的一项常见操作，通过不断的搅动和混合，搅拌对象的组分、温度、浓度等的非均匀性降低，从而达到工艺所需的结果。动力电池电芯前段工艺的四个主要环节之一就包括了搅拌过程（其他的是涂布、锟压和分切），正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过搅拌形成浆状供后续工艺使用。加料比例、加料时间，以及搅拌速度、过程温度控制都需要严格按照工艺要求进行控制。搅拌过程中的质量传递、热量传递、反应过程等都是产品特性相关的控制因素。
根据工艺目标，通常搅拌过程可以分为如下种类：
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均相混合：两种或多种互溶液体的混合，物理过程；
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液液分散：不互溶的两种或多年各种液体之间的分散；
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气液分散：气体呈微小气泡分散于液体中，可用于促进气体与液体之间的反应；
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固液悬浮：使固体颗粒悬浮于液体中，形成固液混合物或悬浮液；
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固体溶解：将固体溶解于溶液中；
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结晶：饱和状的混合液中借助搅拌使组分结晶析出
通过仿真手段可以对搅拌过程复杂的流体-颗粒交互作用进行数值预测，本例以固液悬浮搅拌器为例，演示如何使用Ansys Fluent和Ansys Rocky双向耦合进行建模，对某固液悬浮搅拌过程进行仿真，仿真的结果可用于分析搅拌效果的影响因素，如液体物性、固体颗粒物性（密度、粒径、形状、硬度、摩擦等）、工艺操作条件（如粒子浓度、体积分数等）、搅拌器几何参数（槽径、槽底形状、搅拌器形状与安装位置等）和搅拌条件（如转速等）。
模型介绍
本例模拟的现象是搅拌罐中发生的固体颗粒、空气和水之间的搅拌混合过程，搅拌器桨片以给定速度旋转，固体颗粒采用注入方式加入。使用Fluent对空气和水的流动进行计算仿真，使用Rocky对颗粒运动进行计算仿真，采用双向耦合方式实时更新颗粒和流场信息。关于Fluent的相关设定不在本文中介绍（文末下载），Rocky加载的几何数模使用Fluent的case格式模型。本例搅拌器包含三个部件：（1）搅拌罐外壳；（2）搅拌轴；（3）搅拌器桨片（如图所示）。
Ansys Rocky设定过程
（1）启动Ansys Rocky，新建仿真项目：菜单栏File New Project；
（2）设置项目名称：选中树形图主节点，在Data Editors Study Study Name: 输入Mixing Tank；
（3）设置物理模型：Physics: Coarse-Graining: 勾选Coarse Grain Modeling
（4）激活CFD耦合模块：Modules: 勾选CFD Coupling Particle Statistics；
（5）在树形图中选中Modules并展开，选中CFD Coupling Particle Statistics，勾选Drag Force和Pressure Gradient Force；
（6）导入几何数模，在树形图中右键点击Geometries节点， 选择“Import Geometry”，在弹出的选择窗口中选择“Mixing_Tank_ini.cas”
（7）保存Rocky计算数据，在弹出的窗口中选择保存路径，设置文件名“mixing_tank_particles.rocky”，点击保存按钮。
（8）在弹出的对话框中，保持现有输入不变（使用默认单位m），点击OK按钮。
（9）导入的数模包含多个边界，本例中有三个是不需要的，接下来进行删除，它们是“interface_mr”, “interface_tank”和“openting”，选中（Control+左键）这三个对象，右键选择“Remove Geometries”完成删除。
（10）创建入口，右键点击Geometry节点，选择“Create Inlet”；
（11）设置入口的属性，选中新创建的Inlet，在Data Editors窗口中，设置
a)Type：Circular Inlet
b)Centre coordinates: 0 0.125 0
c)Min Radius: 0.008 m
d)Max Radius: 0.07 m
（12）查看导入数模，菜单栏Window：New 3D View，打开图形窗口，所有Geometry对象会出现在窗口中（用户可以在图形窗口右键点击空白位置，调整背景色和边界范围轮廓线）；
（13）修改边界对象透明效果，在树形图中选择Geometry walls，在Data editors中选择Coloring面板，勾选Transparency；
（14）修改默认颗粒材料。在树形图中，选择Material并展开，选择Default Particle，修改如下属性：
a)不勾选 Use Bulk Density
b)Density：1100 kg/m^3
c)Young’s Modules: 1e+6 N/m^2
（15）接下来创建一种新颗粒材料，设置不同材料属性。右键点击“Dafault Particles”，选择“Duplicate”，选中新创建的颗粒“Default Praticles ”，修改如下属性：
a)Density：1300 kg/m^3
（16）创建颗粒，在树形图中选择Particles，右键选择“Create Particle”，选择新创建的颗粒Particel，修改如下属性：
a)CGM Scale Factor: 3
b)Size: 0.0005m (& Cumulative: 100%)
（17）再创建一种颗粒，在树形图中选择Particles，右键选择“Create Particle”，选择新创建的颗粒Particel，修改如下属性：
a)Material: Default Particles
b)CGM Scale Factor: 3
c)Size: 0.0005m (& Cumulative: 100%)
（18）设置颗粒注入方式，选择树形图中的Inputs，右键选择“Create Continuous Injection”，选择新创建的Continuous Injection ，修改如下属性：
a)Entry Point: Inlet
b)Particles：新建两组颗粒，在下拉框内，分别选择Particle类型为Particle 和Particle，两组均设置Mass Flow Rate为0.15t/h
c)Time: Stop: 1s
（19）在树形图中选中CFD Coupling节点，设置Coupling Mode: Fluent，在弹窗中选择Fluent的case模型，这里选择“Mixing_Tank_ini.cas”，Rocky自动开始对导入模型进行验证，并弹窗进行过程提示
Figure 1弹窗提示
（20）在树形图中CFD Coupling节点下，选中2-Way Fluent，进行如下设置：
a)切换到Interactions设置栏：勾选 “Turbulent Dispersion”
b)切换到Fluent设置栏，进行如下设置:
i.Rocky Phase: phase-3；
ii.勾选“Use Data Initialization”
iii.点击“Import file”,选择Fluent的dat文件，这里选择“Mixing_Tank_ini.dat”
iv.Execution mode: Local Parallel
v.Solver Processes: 8
vi.取消勾选 “Keep all files”
vii.Files to keep: 2
viii.Additional Args: -g
（21）确认参考坐标系。加载Fluent模型之后，在树形图Motion Frames节点下，可以看到会生成一个新的子节点“movingregion” Motion Frame；
（22）在Data Editors栏中的显示如下图，Rocky会自动将设置冻结（不能变更），以确保耦合时Rocky一侧采用和Fluent完全相同的运动；
（23）设定几何对象的运动，选中并展开树形图Geometries节点，对如下对象做设定：
a)选择impeller，在Geometry设置栏，设置Motion Frame：“movingregion” Motion Frame；
b)选择shaft，在Geometry设置栏，设置Motion Frame：“movingregion” Motion Frame；
（24）求解器设定，选中树形图中Solver节点，做如下设定：
a)Solver: Time: Simulation Durations: 3s
b)Solver: Time: Output Frequencies: Fluent Outputs Multipller: 2
c)Solver: General: Simulation Target: CPU
d)Solver: General: Number of Processors: 8
（25）提交计算：在Solver栏目，点击Start按钮即可启动计算，Rocky会弹窗提示初始化信息（如下图），弹窗自动关闭后，计算正式开始运行（Fluent也将以批处理方式同步被启动）。
（26）计算结果实时查看：在Rocky计算运行过程中，用户可以点击Refresh按钮，加载最新计算结果，并通过图形窗口实时查看，也可以勾选“Auto Refresh”选项，Rocky会实时加载最新计算结果。
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