撞擊流反應(yīng)器中導(dǎo)流螺旋片強(qiáng)化撞擊過程的數(shù)值模擬

羅 燕，周劍秋，郭 釗，熊 卉，楊 俠

(1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京210009； 2．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

撞擊流(impinging streams)的基本原理是使兩股等量工質(zhì)同軸高速相向流動(dòng)并在中間面上相互撞擊，以此強(qiáng)化相間傳遞及混合[1-3].立式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器VCISR(Vertical Circulative Impinging Stream Reactor)是由我國伍沅教授設(shè)計(jì)的一種撞擊流新型反應(yīng)器[4]，利用了液體連續(xù)相撞擊流的所有優(yōu)越特性，大幅度提高流團(tuán)間的剪切速率，促進(jìn)了混合[5].為強(qiáng)化VCISR混合性能，楊俠等學(xué)者從不同角度對(duì)VCISR進(jìn)行數(shù)值模擬[6-8]，包括槳葉布置形式、槳葉傾角、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)流筒間距等，從中得出了最佳混合性能尺寸.本文在前期研究基礎(chǔ)上，對(duì)VCISR的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，即在前期研究中選取最優(yōu)槳葉布置形式、槳葉傾角、導(dǎo)流筒間距尺寸等，另外在導(dǎo)流筒內(nèi)壁增加螺旋片，并進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析研究螺旋片尺寸和螺圈數(shù)變化對(duì)混合性能的影響，找出螺旋片的最優(yōu)尺寸和螺圈數(shù)，進(jìn)一步為VCISR的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

1 數(shù)值模擬

筆者采用CFD軟件FLUENT對(duì)VCISR導(dǎo)流筒內(nèi)加螺旋片的撞擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬.VCISR結(jié)構(gòu)如圖1所示，上、下螺旋槳推動(dòng)工質(zhì)分別從兩端沿導(dǎo)流筒流動(dòng)，并在容器中部相向撞擊，形成劇烈湍動(dòng)的撞擊區(qū).

圖1 VCISR結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VCISR注： 1——容器；2——導(dǎo)流筒；3，4——螺旋槳；5——撞擊區(qū)

1.1 幾何模型

依據(jù)反應(yīng)器建立的坐標(biāo)系如圖2(a)所示，反應(yīng)器幾何對(duì)稱中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，水平徑向?yàn)閤軸，垂直徑向?yàn)閦軸，與導(dǎo)流筒方向平行的軸線為y軸.類比VCISR實(shí)體結(jié)構(gòu)和尺寸構(gòu)建三維幾何模型，反應(yīng)器高為600 mm，外徑400 mm；上下兩個(gè)導(dǎo)流筒高為220 mm，外徑為300 mm，兩導(dǎo)流筒間距為60 mm，如圖2(b)所示.

圖2 VCISR幾何模型Fig.2 Geometric model of the VCISR

由于導(dǎo)流筒高度一定，取螺旋片的厚度與圈數(shù)為變量，設(shè)置螺旋片的厚度L分別為0 mm,10 mm,20 mm,30 mm，螺圈數(shù)N分別為0 mm,1 mm,2 mm，幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 L=20 mm時(shí)螺旋片幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Geometric model of the spiral lamella with L=30 mm

1.2 邊界條件

由于計(jì)算區(qū)域中運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域同時(shí)存在，筆者采用動(dòng)態(tài)參考系(MRF)[9]模型來解算.使用壓力基隱式求解器，運(yùn)用SIMPLEC耦合速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，指定兩個(gè)槳葉所在的區(qū)域?yàn)閯?dòng)區(qū)域并定義其以大小相等、方向相反的速度旋轉(zhuǎn)，使流體相向撞擊流動(dòng)，轉(zhuǎn)速為900 r/min.為簡化計(jì)算，數(shù)值模擬中設(shè)定工質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下蒸餾水，連續(xù)、不可壓縮牛頓液體，其中工質(zhì)密度ρ為998.2 kg/m3，黏度μ為1.002 MPa·s，工質(zhì)比熱C為4.183 kJ/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.599 W/(m·℃).

2 模擬結(jié)果及分析

通過數(shù)值計(jì)算得到VCISR的流場(chǎng)，并選取縱剖面和幾何對(duì)稱面兩個(gè)特征面討論速度分布及速度梯度分布.計(jì)算結(jié)果表明，不同的螺旋片尺寸和螺圈數(shù)會(huì)影響相間傳遞，改變撞擊過程.圖4為不同螺圈數(shù)下縱剖面(xoz)上的速度矢量圖，因篇幅有限這里僅列出L=20 mm時(shí)的速度矢量圖.從圖4可以看出兩個(gè)導(dǎo)流筒之間的速度值變化較明顯.增加螺旋片后特征撞擊面上速度梯度的變化與增加螺旋片之前的有很大區(qū)別，說明螺旋片的增加改變了流團(tuán)之間的剪切厚度與方向，對(duì)撞擊過程造成很大影響，在導(dǎo)流筒內(nèi)部，螺旋片起到擾動(dòng)作用，導(dǎo)流筒內(nèi)部出現(xiàn)了流線彎曲及流動(dòng)斜交，提高了流場(chǎng)的各向異性，使其速度分層范圍擴(kuò)大、更明顯，流體層之間接觸面積增大，從而強(qiáng)化了撞擊區(qū)之外的流場(chǎng)混合，這樣可以促進(jìn)混合的效果；且梯度變化關(guān)于幾何對(duì)稱面xoy對(duì)稱，這與伍沅教授實(shí)驗(yàn)得出的撞擊區(qū)位置相符[10]，因此選取幾何對(duì)稱面為特征撞擊面.

圖4 L=20 mm時(shí)縱剖面的速度矢量圖Fig.4 The vectors of the velocity on the longitudinal diagram with L=20 mm

圖5 L=20 mm時(shí)特征撞擊面的速度矢量圖Fig.5 The vectors of the velocity on the impinging surface with L=20 mm

圖5為螺旋片的厚度L=4 mm時(shí)特征撞擊面上的速度矢量圖，從圖中可以看出，增加螺旋片后，特征撞擊面上的速度呈不對(duì)稱分布，這是螺旋片在導(dǎo)流筒的出口方向影響的結(jié)果.

為了更精確的分析不同螺旋片尺寸下特征撞擊面上的速度分布，在特征撞擊面的徑向正方向(x)采集130個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪成不同螺片厚度和螺圈數(shù)下的徑向距離-速度關(guān)系坐標(biāo)圖.圖6所示為L=20 mm時(shí)不同螺圈數(shù)的撞擊面速度散點(diǎn)圖，圖7所示為N=2時(shí)不同螺片厚度的撞擊面速度散點(diǎn)圖.可以看出螺旋片的增加降低了撞擊面上的最大速度，阻礙了反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng).

圖6 L=20 mm時(shí)不同螺圈數(shù)的撞擊面速度曲線圖Fig.6 The speed curve diagram of different spire turn number on the impinging surface with L=20 mm注：

圖7 N=1時(shí)不同螺旋片厚度的撞擊面速度曲線圖Fig.7 The speed curve diagram of the thickness of different spiral lamella on the impinging surface with L=20 mm注：

為了研究螺旋片的最優(yōu)尺寸和螺圈數(shù)，引入徑向平均速度值表征撞擊過程中的傳遞效果，徑向速度均方根差表征撞擊過程中的混合效果.表1所示為特征撞擊面上的徑向平均速度，表中顯示當(dāng)圈數(shù)N一定時(shí)，平均速度值隨著厚度L呈不規(guī)則變化；當(dāng)厚度L一定時(shí)，平均速度值隨著圈數(shù)N也呈不規(guī)則變化；但當(dāng)N=1，L=30 mm時(shí)，平均速度存在一最大值，即該尺寸的螺旋片傳質(zhì)效果最佳.

表1 撞擊面徑向沿x方向各點(diǎn)平均速度值Table 1 The different point average velocity of impinging surface radially along the x direction

對(duì)于撞擊流反應(yīng)器的混合性能，撞擊區(qū)內(nèi)的速度梯度越大其相間混合越好.伍沅教授曾定義瞬變壓力的均方差來描述壓力波動(dòng)強(qiáng)度[11]，筆者曾通過速度分布的均方根差σ來表示速度值的離散程度[12]，本文引入速度分布的均方根差σ來表征撞擊面徑向速度(vx)的梯度.根據(jù)定義，均方根差越大則徑向速度偏離平均值的程度也越大，那么速度梯度也越大，撞擊過程中的相間混合越好.速度分布的均方根差σ計(jì)算公式為

(1)

表2 撞擊面徑向沿x方向各點(diǎn)均方差根值Table 2 The root-mean-square of impinging surface radially along the x direction

表2所示為均方根差σ與螺旋片尺寸和圈數(shù)的關(guān)系，顯示均方根差隨螺旋片厚度和圈數(shù)呈不規(guī)則變化，當(dāng)N=0，L=0 mm時(shí)，均方根差最大，則速度梯度最大，混合性能良好，即在沒有螺旋片時(shí)，其混合性能最優(yōu).

3 結(jié) 語

a. 螺旋片的增加改變了流團(tuán)之間的剪切厚度與方向；螺旋片在導(dǎo)流筒的出口方向影響了特征撞擊面上的速度分布，對(duì)流體流動(dòng)存在擾動(dòng)作用，導(dǎo)流筒內(nèi)部出現(xiàn)了流線彎曲及流動(dòng)斜交，提高了流場(chǎng)的各向異性，從而使其速度分層范圍擴(kuò)大，促進(jìn)了混合，并且特征撞擊面上速度呈不對(duì)稱分布.

b. 螺旋片的增加降低了撞擊面上的最大速度，阻礙了反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng).

c. 螺旋片的增加，使撞擊面上的平均速度、均方根速度呈不規(guī)則變化，且使其表征的混合性能降低，沒有強(qiáng)化撞擊過程.

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