引 言
 
靜態混合器是由在光滑直管內裝入不同形狀混合元件構成的一種新型高效混合設備^[ 1] 。扭旋葉片是繁復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混合器有美*的 SK 型和日本的Hi 型等 ,這兩種靜態混合器在管內一個截面上分別安有一個和兩個扭旋葉片^[ 2-3] , 由本課題組開發的一個截面上安有四個扭旋葉片的新型靜態混合器已在環氧丙烷的工業生產中獲得了成功應
_用[ 4] _。
 
扭旋葉片的加入使混合管內流體的流動變得非常復雜,尤其是一個截面上安有多個扭旋葉片時, 從理論上尋求管內流場的解析解異常困難。計算流體力學的發展為采用數值模擬方法研究復雜流場提供了可能 ,近年來科研人員運用數值模擬方法對靜態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混合器研究集中在 SK 型靜態混合器上 ,對其他扭旋型靜態混合器研究很少,互相間的性能比較研究更少 ,使得工程應用時對含扭旋葉片的靜態混合器的選用更多的是依靠設計者的感覺和經驗,缺乏可靠依據。
 
本文運用 FLUEN T 流體力學計算軟件對含扭旋葉片的靜態混合器內流場進行數值模擬計算, 從管內旋渦、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混合器流場特性的影響,為工程應用中扭旋型靜態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混合器分別稱為單葉片靜態混合器、雙葉片組合、三葉片組合、四葉片組合靜態混合器。
 
1 數值模擬
 
數值模擬計算采用湍流模型中常用的 RNGk-ε 模型 ,應用 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] :
 
^(ρ_t⁾+div(ρu )=div(Γgrad )+S (1)
 
式中 :ρ為流體密度 ; 為通用變量;Γ為廣義擴散系數;S 為廣義源項。
 
對不同扭旋葉片組合的靜態混合器分別建立計算模型 :混合器內徑為 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 , 單葉片靜態混合器(即 SK 型靜態混合器)的扭旋葉片規格 D ×L 為 100 mm ×200 m m ,混合器內裝 5 個混合元件 ;對多葉片組合的靜態混合器 ,考慮到葉片的安裝, 扭旋葉片規格 D ×L 為 40 mm ×80 mm , 在同一截面的混合元件構成一組, 混合器內裝 12 組混合元件。計算模型在 FLUENT 的前處理軟件 GAMBIT 中進行網格劃分,通常網格
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 1  雙葉片組合靜態混合器網格劃分示意圖
 
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 , 其他未設置的面默認為固壁無滑移光滑界面, 對近壁區采用標準壁面函數。模擬計算以水為流體介質 ,
其黏度 μ為 1.003 ×10^-3 Pa·s , 密度為 998.2 kg/
 
m³ ,認為介質不可壓縮 。
 
2 結果與分析
 
流場中任意一點的速度在湍流狀態下是脈動的,通常用時均速度來表示這一點的運動速度 ,用與脈動速度相關的參數來表示流場湍流特性, 常用的表示參數有速度脈動均方根、湍流強度、湍動能及雷諾應力等^[ 13] 。
2.1 扭旋葉片的組合對管內旋渦的影響
 
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] , 混合器內徑向混合主要靠管內旋渦形成。不同扭旋葉片組合引起管內旋渦也不相同。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旋渦的影響。
 
由于單葉片靜態混合器扭旋葉片長度近似為多葉片組合靜態混合器扭旋葉片的二倍, 故單葉片靜態混合器取第三個混合元件、多葉片組合靜態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 :一方面是由于一個截面上葉片的數量越多, 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 結論
 
(1)單葉片靜態混合器內僅有一個強旋渦, 而多葉片組合靜態混合器內分別有數量等于葉片數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混合器內湍動能與湍流強度呈遞增趨勢,表明一個截面上葉片的數量越多,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。