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(gè)截面上分別安有一個(gè)和兩個(gè)扭旋葉片^[ 2-3] , 由本課題組開發(fā)的一個(gè)截面上安有四個(gè)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(dòng)變得非常復(fù)雜,尤其是一個(gè)截面上安有多個(gè)扭旋葉片時(shí), 從理論上尋求管內(nèi)流場的解析解異常困難。計(jì)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(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)靜態(tài)混合器中流體流動(dòng)特性進(jìn)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(shí)也取得了許多成果^[ 5-11] 。但對(duì)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(duì)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(shí)對(duì)含扭旋葉片的靜態(tài)混合器的選用更多的是依靠設(shè)計(jì)者的感覺和經(jīng)驗(yàn),缺乏可靠依據(jù)。
 
本文運(yùn)用 FLUEN T 流體力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)含扭旋葉片的靜態(tài)混合器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算, 從管內(nèi)旋渦、湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度及流體阻力等幾方面研究扭旋葉片的組合對(duì)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(duì)一個(gè)截面上分別安有一**四個(gè)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(jì)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(dòng)控制方程可以表示為^[ 12] :
 
^(ρ_t⁾+div(ρu )=div(Γgrad )+S (1)
 
式中 :ρ為流體密度 ; 為通用變量;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S 為廣義源項(xiàng)。
 
對(duì)不同扭旋葉片組合的靜態(tài)混合器分別建立計(jì)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(gè)混合元件 ;對(duì)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(jì)算模型在 FLUENT 的前處理軟件 GAMBIT 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通常網(wǎng)格
 
 
 
 
 
 
 
 
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(jì)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(duì)近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。模擬計(jì)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/
 
m³ ,認(rèn)為介質(zhì)不可壓縮 。
 
2 結(jié)果與分析
 
流場中任意一點(diǎn)的速度在湍流狀態(tài)下是脈動(dòng)的,通常用時(shí)均速度來表示這一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度 ,用與脈動(dòng)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(dòng)均方根、湍流強(qiáng)度、湍動(dòng)能及雷諾應(yīng)力等^[ 13] 。
2.1 扭旋葉片的組合對(duì)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(qiáng)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(dòng)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(duì)象來分析扭旋葉片的組合對(duì)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(gè)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
 





如下 :一方面是由于一個(gè)截面上葉片的數(shù)量越多, 對(duì)流體的擾動(dòng)程度越大 ,使流體的平均湍動(dòng)程度加大 ; 另一方面是由于一個(gè)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(dòng)尖峰越高, 也使流體的平均湍動(dòng)程度加大。
2.3 扭旋葉片的組合對(duì)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(duì)混合管的流體阻力
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 5  代表點(diǎn)沿軸線的壓強(qiáng)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(gè)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)能與湍流強(qiáng)度呈遞增趨勢,表明一個(gè)截面上葉片的數(shù)量越多,對(duì)流體湍動(dòng)的強(qiáng)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。