湿法冶金所用的加压浸出属于高温加压条件下的水热反应过程，它可使反应过程加快和改善金属的提取^{[1, 2]}.经过多年的发展，加压浸出技术已在工业上得到多方面的应用.如在氧化铝的提取、铜镍钴硫化物的处理、铂族金属回收、硫化锌精矿提取锌及难处理金矿预氧化等方面得到广泛应用.近年随着湿法冶金技术的不断发展，加压浸出技术在处理低品位多金属伴生矿中凸显出越来越多的技术优势^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}.在高温高压的浸出反应器研究中，强化浸出反应与抑制结疤是该类反应器研究的重点和核心问题.在比较研究国内外多项浸出反应器和技术的基础上，本文提出了一种自主研发的自搅拌的管式反应器，该反应器通过高压流体自身能量推动搅拌器的旋转，实现对反应介质的搅拌作用，强化反应过程,是一种新型的加压浸出反应器.本文采用数值模拟技术，对自搅拌反应器的流动特性进行研究，为该反应器的研发和应用提供技术支撑.

自搅拌管式反应器尺寸如下：反应器长1 000 mm，反应器直径200 mm，搅拌轴长1 000 mm，搅拌轴直径30 mm，叶片直径170 mm，厚度30 mm，入口和出口直径16 mm.具体结构如图 1所示.入口正对的搅拌桨为六弯叶涡轮桨，作为驱动桨.其他搅拌桨均为四斜叶桨，作为从动桨.该模拟共采用120万个网格，其中对桨进行了加密处理.搅拌桨结构及其网格划分情况见图 2.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 自搅拌管式反应器结构示意图 Fig. 1 Schematic of self-stirring reactor

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 搅拌桨叶及其网格划分 Fig. 2 Stirring paddle and its meshing

1) 湍流模型选择为标准的k－ε模型，多相流模型选择Eulerian模型；

2) 速度压力耦合SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风格式，所有项的残差收敛标准为10^-3；

3) 反应器壁处采用壁面函数法^[9]处理，取为固壁边界条件，针对搅拌槽内部旋涡多的特点，壁面采用非平衡壁面函数处理；

4) 桨叶区域采用多重参考系法处理；

5) 入口边界设为Velocity inlet，出口边界设为outflow；

6) 采用纯水作为模拟原料，入口流速分别选取6.9，8.3 m/s.搅拌转速50 r/min.

图 3是不同液体流速下，自搅拌管式反应器内部的速度分布云图.由图可知，不论是何种速度下，反应器内部的速度分布均是从反应器边壁到搅拌桨轴处呈递减趋势，在搅拌桨轴处，有小块的速度死区存在.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 不同流速下的速度云图 Fig. 3 Velocity nephogram at different flow rates

图 4则是不同流速下，反应器内部的速度矢量图.由图可知，桨排开液体，到达边壁后，受到阻挡回落，形成一个小的环流.经计算得到不同液体流速下反应器的平均流速，即液体流速6.9 m/s时的反应器平均流速约0.3 m/s，液体流速8.3 m/s 时的反应器平均流速约0.4 m/s.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 不同流速下的速度矢量图 Fig. 4 Velocity vectors at different flow rates

由图 3和图 4可以看出，轴向靠近入口附近流速偏大.随着流动的进行，受到内部阻力等作用，靠近出口的流速略微下降.但在进、出口处流体流速普遍大于反应器中段的流体流速.从速度矢量图可以看出，流体流动紊乱，说明在搅拌作用下，整个流场处于湍流状态.

为了进一步研究反应器内部横向及径向位置速度变化情况，选择径向截面z=0.1 m，z=0.5 m，z=0.9 m，分别位于入口处动力桨附近位置、反应器中心从动桨位置、出口位置.横向直线分别为y=0.06，y=-0.06，x=0.06，x=-0.06，对称位于轴的上方、下方及左侧、右侧，如图 5所示.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 监测面及监测直线的位置 Fig. 5 Monitoring line and plane in axial position

图 6和图 7分别为入口流速6.9，8.3 m/s时反应器内部不同截面径向速度云图.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 入口流速6.9 m/s时不同位置径向速度云图 Fig. 6 Circumferential velocity nephogram at inlet flow rate of 6.9 m/s(a)—z=0.1 m； (b)—z=0.5 m； (c)—z=0.9 m

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 入口流速8.3 m/s时不同位置径向速度云图 Fig. 7 Circumferential velocity nephogram at inlet flow rate of 8.3 m/s(a)—z=0.1 m； (b)—z=0.5 m； (c)—z=0.9 m

在不同流量下径向流体流动规律是一致的.其中在z=0.1 m截面处，即在靠近入口附近流体流速偏大，这与轴向的计算结果一致.且在反应器壁面附近的流速大于搅拌轴附近流速.流速最大的区域为入口与反应器衔接处.z=0.5 m和z=0.9 m截面处速度变化规律与z=0.1 m截面处相似，即越靠近搅拌轴，流动速度越小.其中z=0.9 m截面各处速度普遍小于z=0.5 m和z=0.1 m截面处，说明靠近出口速度下降.这与前面轴向计算结果一致.并且入口速度越大，在反应器内部越容易形成闭合环流，这有利于反应器内物质在搅拌作用下混合.

监测直线位置选择如图 5所示，图 8a为入口流速6.9 m/s时不同监测直线上速度变化情况，流体在入口处速度波动剧烈，在反应器的前半部分速度波动较明显；图 8b为入口流速8.3 m/s时不同监测直线上速度变化情况，流体在入口处速度波动幅度更大，但很快达到平稳状态，并保持稳定，这说明适当地增大入口流速，利用反应器内部流体在搅拌作用下形成环流，能促进反应器内流体的混合.

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图 8 直线位置上速度变化 Fig. 8 Longitudinal variation of fluid velocity(a)—6.9 m/s； (b)—8.3 m/s.

1) 在自搅拌管式反应器内分别选取入口流速6.9，8.3 m/s，搅拌转速50 r/min时，反应器入口和出口的流体由于受到扰动作用速度偏大，轴向流速分布均匀，相比入口而言，靠近出口处速度偏低.

2) 自搅拌管式反应器内部液体速度由壁面到桨轴呈递减趋势，说明搅拌桨叶端部对流体作用更大.

3) 入口流速6.9 m/s时反应器内平均流速约0.3 m/s，入口流速8.3 m/s时反应器内的平均流速约0.4 m/s，通过对反应器内横向直线及径向截面上速度变化的分析可知，入口流速 8.3 m/s时利于反应器内流体在搅拌作用下形成环流，增大反应器内流体的混合效果，对今后的两相混合实验提供理论指导.