雙層改進型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內流動特性PIV研究

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(1.南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816;2.國家化工設備監督檢測中心， 江蘇 張家港 215600)

雙層改進型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內流動特性PIV研究

王光武1，周勇軍1，薛亞運1，辛偉2，陶蘭蘭2

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816;2.國家化工設備監督檢測中心， 江蘇 張家港 215600)

在內徑T=420 mm的圓柱攪拌槽內，采用粒子圖像測速技術對湍流狀態下雙層改進型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內的流場進行研究，考察了相對層間距C2/H和雷諾數Re等參數對流場內流動特性的影響，同時利用扭矩傳感器研究了Re對功率特性的影響。實驗結果表明，當C2/H=0.148～0.400時，總的軸向速度分布隨著C2/H的增大逐漸趨于正態分布；當C2/H=0.300時，兩槳間的連接流最明顯；當C2/H≥0.400時，槽內產生分區流現象；當Re=(3.75～9)×104時，功率特征數NP隨Re增大逐漸降低；當Re≥9×104時，NP趨于穩定。

攪拌槽； 粒子圖像測速技術； 雙層改進型INTER-MIG槳； 偏心攪拌； 流場

攪拌是一種在工業生產中應用十分普遍的單元操作。近年來國內外的攪拌槽內流場特性研究工作極大地豐富了攪拌理論，目前常用的攪拌方式分為單層攪拌和多層攪拌兩種。多層攪拌槽內層間距、離底高度以及不同類型的槳葉組合等對攪拌效果有著很大的影響，越來越多的學者對多層攪拌槽內的流型、速度分布、湍動能及攪拌功率等進行了實驗和數值模擬研究。郭欣等采用粒子圖像測速技術(PIV)對雙層三葉CBY翼型槳攪拌槽內流動特性進行研究發現，攪拌槽內流動以軸向流為主，并且層間距對攪拌槽內流場的流動特性影響比較明顯[1]。鄭國軍等利用PIV實驗對雷諾數Re條件下雙層CBY槳攪拌槽內流場流動特性進行的研究發現，功率準數隨著Re的增大而逐漸降低，而且槳葉C2/H對功率準數的影響較小[2]。Szalai等通過實驗和數值模擬的方法對4層INTER-MIG組合槳攪拌槽內的混合特性進行的研究發現，由于各層槳之間物料的動量傳遞不足，因此導致高黏度物料的混均效果比較差[3]。

隨著工業中對攪拌效果的要求越來越高，多層中心攪拌越發難以滿足要求，多層偏心攪拌槽內流場特性的研究尤顯重要。Alvarez等對層流狀態下偏心攪拌進行的研究指出，偏心攪拌能夠縮短混合時間[4]。Karcz等研究牛頓流體在湍流狀態下偏心攪拌時，量化了偏心率對混合時間、能量消耗的影響[5]。楊敏官等對偏心攪拌槽內高濃度漿液中顆粒的懸浮特性研究發現，在高黏度槳液中偏心攪拌較中心攪拌增強了流場內流體的軸向循環能力及固體顆粒懸浮效果[6]。楊鋒苓等對Rushton槳偏心攪拌槽內固-液懸浮特性進行研究，發現偏心率e=0.2時懸浮效果最佳，臨界轉速較中心攪拌時的小且能耗低[7]。劉悅等開發了LY框式攪拌槳，用于雙軸雙槳偏心攪拌，提高了混合效果[8]。Cabaret等比較單偏心軸雙層Rushton和雙偏心軸單層Rushton槳的攪拌效果，發現雙軸單槳需要的混合攪拌時間較單軸雙槳的短，且槳葉上下部位的混合分離區消除，令功耗降低[9]。車占富等利用PIV和固體激光發生器對偏心攪拌槽內的流動特性進行了實驗研究，發現偏心距離越大，槽內流體的軸向流動越顯著且形成了較大的軸向循環，但是固體懸浮的臨界轉速和攪拌功率的消耗也隨著增大，并得出最佳偏心率e=0.4[10]。但關于層間距C2及Re對單軸多層偏心攪拌槽內流場特性影響的研究還鮮見報道。

本文采用高分辨率的PIV研究了C2和Re等參數對雙層改進型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內流場的影響規律，并利用扭矩傳感器測量了改進型INTER-MIG槳的功率特性。

1 偏心攪拌槽內流動特性實驗

1.1實驗裝置與材料

本實驗采用不銹鋼標準橢圓封頭和圓柱形透明有機玻璃組成的四擋板均勻分布攪拌槽，攪拌槽內徑T=420 mm、高度H=675 mm。在攪拌槽內采用交叉布置方式安裝雙層改進型INTER-MIG槳，槳葉直徑D=210 mm，攪拌軸偏心安裝，偏心率e=0.2[11]，下層槳距攪拌槽底的高度C1=225 mm，工作介質為清水，流體中加入和水密度幾乎相同的示蹤粒子(ρ=1.1 g/cm3)，示蹤粒子的直徑為8～12 μm。

偏心攪拌槽的結構見圖1，改進型INTER-MIG槳的結構見圖2。圖2中D=210 mm、Dhb=34 mm、l1～l4依次為44、26、20和30 mm。為避免圓柱形有機玻璃槽壁面對激光的折射，故將攪拌槽放置在一個與攪拌槽相同材質的方槽內，并使方槽與攪拌槽之間充滿水且使液面高度和攪拌槽內的液位保持一致。此外將槳葉和攪拌軸噴上黑色啞光漆，用于減弱其對激光的反射作用。

圖1 攪拌槽結構示圖

圖2 改進型INTER-MIG槳結構

1.2PIV測試系統

本實驗采用美國TSI 公司生產的粒子圖像測速系統， 此測量系統主要由待測區域、圖像記錄系統(CCD相機)、軸編碼器、雙脈沖激光器、同步控制器、激光器以及PIV相關軟件等硬件和軟件構成。在圖3所示的二維PIV系統工作連接示意圖中，雙脈沖激光器產生高強度的脈沖激光，通過導光臂引導，經過柱面鏡和球面鏡產生厚度約1 mm片光源入射到待測區域，通過與片光源相垂直方向的CCD攝像系統拍下間隔時間非常精準的2個瞬間時刻脈沖激光曝光的粒子圖像，利用互相關算法運算，得到在間隔時間內流場中大量示蹤粒子的位移，進而獲得流場中一個平面內多個點的速度。圖像處理由TSI公司的Insight 4G系統完成。

圖3 二維PIV系統連接示圖

1.3實驗方法

PIV系統測量時，激光器和照相機保持90°夾角，流場區域由波長532 nm、單脈沖能量380 mJ的激光通過共線通道照亮形成，選用笛卡爾坐標系，坐標軸x、y、z分別代表徑向、切向、軸向，原點位于攪拌槽底部中心。在二維PIV系統中待測區域為軸向和徑向構成的平面，由脈沖激光經過柱面鏡和球面鏡產生的厚度約1 mm的片光，與方槽玻璃壁面相垂直方向射入圓柱形有機玻璃槽內形成。將軸編碼器和TSI公司的610036同步器連接，以實現拍攝相機、激光器的同步觸發，其中拍攝相機為400萬像素(對應的圖片分辨率為2 048×2 048的CCD相機，同步器的分辨率為1 ns，并由Insight 4G軟件控制進行全自動操作和采集圖像的后處理。

實驗中將軸向的坐標對攪拌槽的高度H做無因次化處理，表示為z/H；徑向的坐標對攪拌槽半徑R做無因次化處理，表示為r/R。本實驗工作分為兩部分：①保持攪拌轉速n=100 r/min、e=0.2以及C1=225 mm，通過改變C2考察偏心攪拌槽內流場的變化規律,操作條件見表1。②保持e=0.2、C1=225 mm及C2/H=0.300，通過改變n分析湍流狀態下偏心攪拌槽內流動特性的變化規律，操作條件見表2。

表1 實驗操作條件1

表2 實驗操作條件2

1.4測量平面選取

因偏心攪拌時流場具有非對稱性，故在拍攝時將激光器發射出的片光偏離攪拌軸的軸心5 mm，以得到整個軸面內的流場。由于擋板附近流體的流動受擋板干擾，在擋板附近得到的流場在全槽內不具有代表意義，因此實驗中均選擇兩擋板中間位置作為測量平面[1]。

2 實驗結果討論與分析

2.1層間距對攪拌槽內流場的影響

2.1.1流型

通過改變層間距C2，得到攪拌槽內4種流型圖，見圖4。

在C2/H=0.148～0.400內，上下兩層槳葉右側均形成一個漩渦，兩層槳葉之間的液體沿著徑向方向流向壁面，到達壁面后形成向上和向下兩股軸向流動促成攪拌槽內的軸向循環。

C2=0.200H和0.300H兩種工況下的整體流型相似，下槳葉處流體沿水平方向排出，碰及槽壁后分作兩部分，一部分向槽底運動并在下槳葉右下方形成一個漩渦，另一部分向上運動。上槳葉排出的流體碰及槽壁后亦分作向上和向下流動的兩部分，向上流動的部分在上槳葉附近形成了漩渦，向下流動的部分與下槳葉分出的向上流動的部分匯合并在兩槳中間高度形成小漩渦，流體的流動表現為連接流，此時混合比較迅速，混合效果較好[12]。

C2=0.148H時，流型與單層槳比較相近，說明層間距較小時，上層槳對槽內整體流動影響甚微，但兩層槳葉排出的流體相互干擾增強，造成能量浪費，對混合不利。

圖4 不同層間距下攪拌槽內的4種流型

C2=0.400H時，上下兩層槳葉各自形成一個循環，流體從下層槳葉排出，沿著與軸線傾斜的方向向上流動，一部分被上層槳葉吸入，另一部分由于重力作用發生轉向而向下流動，在下槳葉右下側形成一個循環，兩槳葉之間的相互作用和軸向流動變弱，此時混合較為緩慢，對攪拌槽內混合效果極為不利[13,14]。綜合分析圖4c和圖4d可以看出，C2=0.300H是出現分區的臨界值，此時C2的實際尺寸是202.5 mm，略小于槳葉直徑D，這與周國忠對雙層CBY槳的研究結果一致[12]。

觀察圖4中上下槳葉處產生的漩渦大小和位置

的變化，發現隨著C2的逐漸增大，上槳葉處產生的漩渦位置由葉輪右上側逐漸偏移到葉輪右下側，在C2=0.300H時向下偏移到最大值，之后漩渦位置趨于不變。下槳葉處產生的漩渦先向上偏移，在C2=0.300H時，渦心與下槳葉徑向中心近乎共線，之后略微向下偏移。且上下兩個漩渦渦心之間的距離也隨著層間距的增加而變大，這是因為隨著層間距的增大，兩槳葉產生的漩渦之間的作用力在減弱。

2.1.2流場內軸向速度分布[15]

不同槳葉層間距下流場內軸向速度的統計分布見圖5。

圖5 不同層間距下軸向速度分布

觀察圖5中不同層間距下的流場內軸向速度的分布情況可發現，軸向速度大于0的部分占比較高。結合上述流型的分析可以得出，攪拌槽內流動以軸向流占主導。隨著層間距逐漸增大，向上和向下的軸向速度均逐漸提高，向上的軸向速度變化較為明顯。但總的軸向速度分布逐漸趨于正態分布，說明兩層槳葉之間的干擾越來越少，流體逐漸趨于自由流動。此外，對比圖5a～圖5d發現，雖然隨著層間距的增大，流場內向上和向下的軸向速度總體增大，但在C2=0.300H時出現了下降，之后回升并趨于穩定。這與上述層間距對流場內流型影響的分析一致，因此可認為C2=0.300H為臨界層間距，是實現攪拌槽內流體整體循環的關鍵。

2.2Re對攪拌槽內流場的影響

2.2.1攪拌功率

不同Re下雙層改進型INTER-MIG槳的功率特性見圖6。

由圖6可見，相同的C2下，在Re為(3.75～7.5)×104內，隨著Re增大，攪拌功率特征數NP逐漸降低，其走勢近乎為一條斜率為-1.5×10-4的直線，即

圖6 不同雷諾數下雙層改進型INTER-MIG槳功率曲線

使在Re為8×104時，NP仍呈略微下降趨勢，當Re>9×104時，功率曲線趨于一條水平直線，即NP與Re無關。說明當Re>9×104時，攪拌槽內流體流動進入充分湍流區。

2.2.2軸徑合速度

分別取z/H=0.300、α=0°界面處沿徑向和軸徑的合速度以及r/R=0.45、r/R=0.60位置處沿軸向的軸徑合速度進行研究，分析Re(Re由n表達)的改變對攪拌槽內軸徑合速度分布的影響，見圖7。軸徑合速度vaz用葉端線速度vtip做無因次化處理。

圖7 不同轉速下攪拌槽內軸徑合速度分布

觀察圖7a分布圖，可以發現無因次軸徑合速度在攪拌軸的左右兩側分別出現了峰值，在攪拌軸左側r/R=-1.00、-0.75及-0.30處均出現峰值，且r/R=-0.75位置處流體速度較r/R=-0.30處小23%，r/R=-1.00位置處流體速度較r/R=-0.75處小39%。而在攪拌軸右側僅出現2個峰值，分別在r/R=0.50和0.85處，且峰值也呈下降趨勢，r/R=0.85位置處流體速度較r/R=0.50處小38%，這是因為r/R=-0.30和r/R=0.50處為前一葉片排出流體運動180°后的速度，而r/R=-0.75和r/R=0.85位置處為第二個葉片排出流體運動360°后的速度，r/R=-1.00為下一周期前一葉片排出流體運動180°后的速度。

觀察圖7b和圖7c發現，沿軸向無因次軸徑合速度的高速區均分布于各槳葉的射流區，而下槳葉射流區的速度較上層槳葉的大很多，這是因為兩槳葉交叉布置，且是在相位角α=0°界面處進行拍攝采集分析，此時上槳葉垂直于拍攝面。

觀察圖7，發現轉速在50～120 r/min，即Re為(3.75～9)×104時，沿著徑向和軸向方向的無因次化軸徑合速度隨轉速n增加而增大，且在n>120 r/min(即Re>9×104)時，軸徑合速度均出現回落。結合上述Re對攪拌功率影響的分析可以得出Re= 9×104是臨界值，大于該值時，Re的改變不影響攪拌槽內的無因次化速度分布，攪拌槽內流體進入充分湍流狀態。

3 結論

通過PIV對雙層改進型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內的流場進行了實驗研究，考察了層間距和雷諾數等參數對流場分布的影響。分析實驗結果得到以下主要結論。

(1)在C2/H為0.200、0.300時，攪拌槽內出現連接流，此時混合迅速。C2/H減小至0.148時，兩槳的相互作用強烈，不利于混合。但C2/H增加到0.400時，兩槳葉各自形成循環，攪拌槽內流體分區。

(2)在C2/H=0.148～0.400內，攪拌槽內流場中向上的軸向流動占據主導地位,且隨著C2/H的增大，軸向速度整體增大且向上的軸向增速較為明顯，但總的軸向速度分布逐漸趨于正態分布。

(3)在Re=(3.75～9)×104內，隨Re增大，雙層改進型INTER-MIG槳的NP逐漸降低，但無因次化的軸徑合速度卻增大。

(4)Re≥9×104(n≥120 r/min)時，Re的改變不影響攪拌槽內的無因次化速度分布，攪拌槽內流體進入充分湍流狀態。

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(柏編)

StudyonFlowCharacteristicsinanEccentricallyAgitatedVesselwithBilayerImprovedINTER-MIGImpellerswithPIV

WANGGuang-wu1,ZHOUYong-jun1,XUEYa-yun1，XINWei2，TAOLan-lan2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2. National Chemical Equipment Supervision and Testing Center， Zhangjiagang 215600, China)

In the cylindrical stirred tank with inner diameterT=420 mm, the turbulent flow field in the eccentric stirring tank of bilayer improved INTER-MIG impellers was studied by using particle image velocimetry. The influence of the parameters such as layer spacingC2/Hand Reynolds numberReon the flow characteristics in the flow field was investigated, at the same time, the effect ofReon the power characteristics was studied by using a torque sensor. The results show that the total axial velocity distribution tends to be normal distribution with the interval ofC2/H=0.148～0.400. WhenC2/H=0.300, the most obvious connection flow is observed; and whenC2/H≥0.400, a regional flow phenomenon generates in the tank; whenRe=(3.75～9)×104, the rate characteristic numberNPdecreases gradually with the increase ofRe, and whenRe≥9×104,NPtends to be stable.

agitated vessel；particle image velocimetry; double-layer improved INTER-MIG paddle; eccentric agitation; flow field

TQ050.7； TB115.1

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.003

1000-7466(2017)05-0012-07

2017-04-10

王光武(1992-)，男，安徽亳州人，在讀碩士研究生，主要從事攪拌設備性能研究。