引 言
靜態(tài)混合器是由在光滑直管內(nèi)裝入不同形狀混合元件構(gòu)成的一種新型高效混合設(shè)備
[ 1] 。扭旋葉片是繁復(fù)多樣的混合元件中的典型代表之一, 以扭旋葉片為混合元件的常見靜態(tài)混合器有美*的 SK 型和日本的Hi 型等 ,這兩種靜態(tài)混合器在管內(nèi)一個截面上分別安有一個和兩個扭旋葉片
[ 2-3] , 由本課題組開發(fā)的一個截面上安有四個扭旋葉片的新型靜態(tài)混合器已在環(huán)氧丙烷的工業(yè)生產(chǎn)中獲得了成功應(yīng)
用[ 4]
。
扭旋葉片的加入使混合管內(nèi)流體的流動變得非常復(fù)雜,尤其是一個截面上安有多個扭旋葉片時, 從理論上尋求管內(nèi)流場的解析解異常困難。計算流體力學(xué)的發(fā)展為采用數(shù)值模擬方法研究復(fù)雜流場提供了可能 ,近年來科研人員運用數(shù)值模擬方法對靜態(tài)混合器中流體流動特性進行了大量研究, 在表明 CFD 是研究靜態(tài)混合器流場特性的有效方法之一的同時也取得了許多成果
[ 5-11] 。但對以扭旋葉片為混合元件的靜態(tài)混合器研究集中在 SK 型靜態(tài)混合器上 ,對其他扭旋型靜態(tài)混合器研究很少,互相間的性能比較研究更少 ,使得工程應(yīng)用時對含扭旋葉片的靜態(tài)混合器的選用更多的是依靠設(shè)計者的感覺和經(jīng)驗,缺乏可靠依據(jù)。
本文運用 FLUEN T 流體力學(xué)計算軟件對含扭旋葉片的靜態(tài)混合器內(nèi)流場進行數(shù)值模擬計算, 從管內(nèi)旋渦、湍動能、湍流強度及流體阻力等幾方面研究扭旋葉片的組合對靜態(tài)混合器流場特性的影響,為工程應(yīng)用中扭旋型靜態(tài)混合器的選用提供參考。為論述方便, 對一個截面上分別安有一**四個扭旋葉片的靜態(tài)混合器分別稱為單葉片靜態(tài)混合器、雙葉片組合、三葉片組合、四葉片組合靜態(tài)混合器。
1 數(shù)值模擬
數(shù)值模擬計算采用湍流模型中常用的 RNGk-ε 模型 ,應(yīng)用 FLUENT 三維單精度分離解算器 ,速度和壓力的耦合采用 Simple 算法。求解流體流動控制方程可以表示為
[ 12] :
(ρt)+div(ρu )=div(Γgrad )+S (1)
式中 :ρ為流體密度 ; 為通用變量;Γ為廣義擴散系數(shù);S 為廣義源項。
對不同扭旋葉片組合的靜態(tài)混合器分別建立計算模型 :混合器內(nèi)徑為 100 mm ,管總長 1200 m m ,在混合器的入口處有一段 100 mm 長的空管段, 葉片厚為 2 mm , 單葉片靜態(tài)混合器(即 SK 型靜態(tài)混合器)的扭旋葉片規(guī)格 D ×L 為 100 mm ×200 m m ,混合器內(nèi)裝 5 個混合元件 ;對多葉片組合的靜態(tài)混合器 ,考慮到葉片的安裝, 扭旋葉片規(guī)格 D ×L 為 40 mm ×80 mm , 在同一截面的混合元件構(gòu)成一組, 混合器內(nèi)裝 12 組混合元件。計算模型在 FLUENT 的前處理軟件 GAMBIT 中進行網(wǎng)格劃分,通常網(wǎng)格
|
劃分越細(xì) ,計算結(jié)果越精確,但計算量越大。本文采 |
件。從計算結(jié)果中提取的單葉片**四葉片組合靜態(tài) |
|
用四面體網(wǎng)格, 單葉片混合器模型共有 484119 個單 |
混合器研究截面的平面時均速度矢量圖如圖 2 所 |
|
元網(wǎng)格,雙葉片組合混合器模型共有 483636 個單元 |
示 ,圖中速度矢量為 |
|
x 與uy 的矢量疊加而不含 uz 。 |
|
u |
|
網(wǎng)格 ,三葉片組合混合器模型共有 492051 個單元網(wǎng) |
|
|
|
|
|
格、四葉片組合靜態(tài)混合器混合器模型共有 503789 |
|
|
|
|
個單元網(wǎng)格。圖 1 為雙葉片組合靜態(tài)混合器中兩組混合元件的網(wǎng)格模型示意圖。
圖 1 雙葉片組合靜態(tài)混合器網(wǎng)格劃分示意圖
Fig .1 Sketch of the mesh of the partial double screw static mixer
計算的入口邊界條件為速度平均分布入口, 入口流速為 0.2 m/s ;出口邊界條件為自由流出口 , 其他未設(shè)置的面默認(rèn)為固壁無滑移光滑界面, 對近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。模擬計算以水為流體介質(zhì) ,
其黏度 μ為 1.003 ×10
-3 Pa·s , 密度為 998.2 kg/
m
3 ,認(rèn)為介質(zhì)不可壓縮 。
2 結(jié)果與分析
流場中任意一點的速度在湍流狀態(tài)下是脈動的,通常用時均速度來表示這一點的運動速度 ,用與脈動速度相關(guān)的參數(shù)來表示流場湍流特性, 常用的表示參數(shù)有速度脈動均方根、湍流強度、湍動能及雷諾應(yīng)力等
[ 13] 。
2.1 扭旋葉片的組合對管內(nèi)旋渦的影響
分流作用方式與徑向混合作用方式是扭旋葉片強化混合的兩種主要方式
[ 2] , 混合器內(nèi)徑向混合主要靠管內(nèi)旋渦形成。不同扭旋葉片組合引起管內(nèi)旋渦也不相同。Hobbs 等的研究表明流體在混合元件入口和出口的流動受到元件交替的影響, 其影響范圍達(dá)混合元件長度的 25 %以上
[ 14] , 又考慮到混合器入口和出口條件的影響, 故取各混合器中間段混合元件的中間截面作為研究對象來分析扭旋葉片的組合對管內(nèi)旋渦的影響。
由于單葉片靜態(tài)混合器扭旋葉片長度近似為多葉片組合靜態(tài)混合器扭旋葉片的二倍, 故單葉片靜態(tài)混合器取第三個混合元件、多葉片組合靜態(tài)混合器取第六組混合元件作為各混合器中間段混合元
圖 2 各混合器混合元件中間截面平面時均速度矢量圖
Fig .2 Vector of time averaged velocity in the on center section
圖 2(a)表明扭旋葉片兩側(cè)的流體近似于與葉片一起旋轉(zhuǎn) ,其旋向與葉片旋向相同 ,管內(nèi)所有流體基本都參與這種旋轉(zhuǎn) , 旋渦半徑近似等于混合管半徑 ;圖 2(b)中可明顯觀察到圍繞兩個葉片各自形成旋渦,旋向也與葉片旋向相同,旋渦半徑近似等于葉片半徑 ,比混合管半徑的一半稍小,在沒有葉片的兩側(cè)還有兩個旋向與葉片旋向相反的旋渦 , 其旋渦半徑也近似等于葉片半徑;圖 2(c)、2(d)表明在混合管內(nèi)圍繞扭旋葉片各自形成三個和四個旋向與葉片旋向相同、旋渦半徑近似等于葉片半徑的旋渦, 在三個和四個旋渦的空隙處各自還有三個和四個旋向與葉片旋向相反的旋渦 , 但旋渦半徑均要小于葉片半徑 ,且圖 2(d)中這種旋渦半徑比圖 2(c)中這種旋渦半徑更小。基于上述現(xiàn)象 ,可將混合管內(nèi)的旋渦分為兩種:一種旋渦是由葉片強迫其周圍流體隨葉片一起旋轉(zhuǎn)而形成, 旋渦旋向與葉片旋向相同,旋渦半徑不隨葉片數(shù)量增加而減小 ,始終近似為葉片半徑,可將這種旋渦稱為強旋渦 ;另一種旋渦由流體在沒有扭旋葉片作用的空隙處回流形成, 旋渦旋向與葉片旋向相反,它受到強旋渦的制約 , 扭旋葉片越多,沒有扭旋葉片作用的空隙就越小, 這種旋渦的半徑
· 86 · 北京化工大學(xué)學(xué)報 2008 年
就越小,可將這種旋渦稱為弱旋渦。
流體在攪拌器中的流動可分為軸向流、徑向流和切向流, 其中軸向流與徑向流對混合起主要作用
[ 15] 。在多葉片組合靜態(tài)混合器內(nèi)分別有數(shù)量等于葉片數(shù)量的強旋渦和弱旋渦 , 且這兩種旋向相反的旋渦交替排列 ,流體在混合器中心與器壁之間不斷往復(fù)流動,使混合器內(nèi)的徑向流大大加強, 提高徑向混合效果,從這點上看 ,一個截面上設(shè)置的扭旋葉片數(shù)量越多,其徑向混合效果會越好。
2.2 扭旋葉片的組合對湍動能和湍流強度的影響
扭旋葉片的組合不僅會對管內(nèi)旋渦產(chǎn)生影響 , 對管內(nèi)流體的湍動也會產(chǎn)生影響。以 A(20 ,20)、B (30 , 30)兩點為代表研究扭旋葉片的組合對管內(nèi)湍動能與湍流強度的影響。
圖 3 與圖 4 分別為兩代表點的湍動能和湍流強
度沿軸線變化圖 , 圖中 SK 、TWSK 、THSK 、FSK 分
別表示單葉片、雙葉片組合、三葉片組合、四葉片組合靜態(tài)混合器。從圖 3 中可以看出 ,在每組元件的入口位置均有一個湍動能的尖峰 ,分析是由于流體從上一組混合元件流入下一組混合元件時, 元件的扭旋方向發(fā)生改變而引起的, 由于多葉片組合混合
器內(nèi)元件扭旋方向發(fā)生改變的次數(shù)多于單葉片混合器 ,其管內(nèi)湍動能和湍流強度的尖峰數(shù)量也多于單葉片混合器。從尖峰的峰值上看 , 、四葉片組合混合器內(nèi)的湍動能峰值**高 ,三葉片組合的其次,單葉片與雙葉片組合的較低 , 分析是由于流體從上一組混合元件流入下一組混合元件時所有的旋渦都將被破壞 ,一個截面上扭旋葉片的數(shù)量越多 ,被破壞的旋渦數(shù)量就越多 , 流體的湍動程度越大, 湍動能也就越高。湍流強度與湍動能的情況基本相似。
圖 3 代表點湍動能沿軸線變化圖
Fig .3 Turbulent kinetic energy at points along the z-axis
圖 4 代表點湍流強度沿軸線變化圖
Fig .4 Turbulence intensity at points along the z-axis
為更好比較各混合器內(nèi)流體湍動程度, 定義代表點沿軸線的平均湍動能和平均湍流強度為:
|
|
|
z 2 |
|
|
|
|
=∫z1k(z)dz/(z 2 |
-z 1) |
|
k |
|
|
|
z |
(1) |
|
I |
=∫z12I(z)dz/(z 2 |
-z 1) |
式中 z 1 、z 2 分別為**個混合元件入口軸向坐標(biāo)和**后一個混合元件出口軸向坐標(biāo), k(z )、I(z )分別表示代表點湍動能和湍流強度與 z 的關(guān)系函數(shù)。為便于計算結(jié)果處理, 將式(1)進行離散化表示為:
第 3 期 龔 斌等:扭旋葉片組合對靜態(tài)混合器流場特性影響 · 87 ·
|
|
|
N |
|
也會產(chǎn)生影響。圖 5 分別為兩代表點沿軸線的壓強 |
|
|
|
= ∑ k n(z )/ N |
|
變化圖, 對多葉片組合混合器代表點壓力降隨截面 |
|
|
k |
|
|
1 |
(2) |
|
|
|
N |
上葉片的數(shù)量增加而增加 ,而單葉片混合器代表點 |
|
|
I = ∑ In(z)/ N |
|
|
|
|
壓力降介于三葉片組合與四葉片組合混合器之間。 |
|
1 |
|
|
式中 N 為將代表點所在軸向直線在 z 1 ～ z 2 |
范圍 |
為定量比較扭旋葉片組合對流體壓力降的影 |
|
內(nèi)離散的點數(shù), kn(z)、In (z )分別為各離散點的湍 |
響 ,模擬計算了流速從 0.2 ～ 1.0 m/s 各混合器進出 |
|
動能和湍流強度。按式(2)得到單葉片、雙葉片組 |
口壓力差值即混合器壓力降 ,計算結(jié)果入圖 6 所示, |
|
合、三葉片組合、四葉片組合靜態(tài)混合器內(nèi) A 、B 兩 |
表明在同一流速下各混合器壓力降由小到大順序 |
|
點沿軸線的平均湍動能之比為 1∶1.30∶1.56∶1.75 ; |
為 雙葉片組合 三葉片組合 單葉片 四葉片組合 |
, |
|
1∶1.09∶1.70∶2.25 , 平均湍流強度之比為 1∶1.18∶ |
: |
、 |
、 |
、 |
|
若單葉片混合器壓力降為 1 , 則雙葉片組合混合器 |
|
1.31∶1.41 ;1∶1.17∶1.38∶2.77 , 兩代表點沿軸線的 |
壓力降約為 0.51 ～ 0.54 ,三葉片組合混合器壓力降 |
|
平均湍動能之比與平均湍流強度之比均表明隨葉片 |
約為 0.78 ～ 0.81 , 四葉片組合混合器壓力降約為 |
|
組合數(shù)量增加流體湍動程度呈遞增趨勢, 分析原因 |
1 15 |
1 18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
. ～ |
. 。 |
|
|
|
如下 :一方面是由于一個截面上葉片的數(shù)量越多, 對流體的擾動程度越大 ,使流體的平均湍動程度加大 ; 另一方面是由于一個截面上葉片的數(shù)量越多, 在每組元件的入口位置引起的湍動尖峰越高, 也使流體的平均湍動程度加大。
2.3 扭旋葉片的組合對流體阻力的影響
混合管的流體阻力特性是也是混合管的重要性能參數(shù)之一 ,扭旋葉片的組合對混合管的流體阻力
圖 5 代表點沿軸線的壓強變化圖
Fig .5 Pressure drop at points along the z-axis
圖 6 各混合器流體阻力隨流量變化圖
Fig .6 Variation of flow resistance with flow velocity
3 結(jié)論
(1)單葉片靜態(tài)混合器內(nèi)僅有一個強旋渦, 而多葉片組合靜態(tài)混合器內(nèi)分別有數(shù)量等于葉片數(shù)量的強旋渦和弱旋渦, 且這兩種旋向相反的旋渦交替排列,旋渦數(shù)量的增加有利于徑向混合的強化。
(2)按單葉片 、雙葉片組合 、三葉片組合、四葉片組合順序靜態(tài)混合器內(nèi)湍動能與湍流強度呈遞增趨勢,表明一個截面上葉片的數(shù)量越多,對流體湍動的強化程度越大。
(3)在同一流速下按雙葉片組合 、三葉片組合、單葉片、四葉片組合順序各混合器流體阻力逐漸加大。
