葉片扭旋角對同心雙螺旋靜態混合器混合性能的影響

由智丹

摘要：同心雙螺旋靜態混合器是一種新型的靜態混合裝置，能夠實現流體在混合管內的同心反向螺旋流動，為探究同心雙螺旋元件扭旋角對混合效果的影響規律，本文利用Fluent中多相流混合模型對低雷諾數狀態下該種混合器內的混合過程進行了數值模擬。研究結果表明：扭旋角對本混合器的混合效果影響顯著，隨著扭旋角的增大，混合效果在逐漸提升，扭旋角為180度時，混合效果最優，扭旋角在0°-150°之間時混合效果提升最大。

關鍵詞：靜態混合器 雙螺旋結構 數值模擬 混合效果 分離強度

引言

混合是化工生產過程中最常見的操作之一，是一種趨向于減少混合物非均相的操作，是系統內各組分在其基本單元沒有本質變化的情況下，在系統全部體積內的細化和分布過程，被泛應于物質的溶解和反應的發生過程中[1-2]。在生產過程中，混合效率、產物產量甚至產物的質量都與混合的效果有著密不可分的聯系。因此，混合設備的研究對于化工產業有著重要意義。

目前國內外學者對此類混合器進行了深入研究。Alberini[3]等以甘油和卡波姆940的混合水溶液為工作液，利用平面激光誘導熒光技術（PLIF）對Kenics型靜態混合器混合牛頓流體的混合性能進行了研究。通過確定混合流體的流變性能、流體共混的表觀粘度比等問題的研究，揭示了混合強度的區域分布問題。

Rauline[4]等采用三維數值模擬法，系統地比較了Kenics型靜態混合器和SMX型靜態混合器在層流混合時對流體的平均剪切速率、偏析強度以及混合器長度等對流體混合性能的研究。經實驗模擬證明，SMX型靜態混合器的混合性能更加優異，同時安裝便利、節省空間。

Vimal[5]等對雷諾數在1～25000范圍內（從層流混合到湍流混合）的Kenics型靜態混合器中流動模式和混合行為進行了數據模擬。該研究中分別運用了由3、9和25個元件組成的三套不同的Kenics型靜態混合器（長徑比=1.5）進行數據表征驗證。同時，該研究也考慮到了以往被忽略的混合器內不同橫截面處圓周速度分布等因素對流體混合效果的影響。

為了掌握同心雙螺旋元件結構對混合效果的影響規律，本文擬從元件寬度比這一重要的結構參數入手，探究該混合器的混合特性，分析同心雙螺旋混合器內外螺旋葉片寬度比對液-液兩相流體混合效果的影響規律。

1 研究方法

本文應用FLUENT軟件對同心雙螺旋靜態混合器進行數值模擬，本文采用mixture多相流模型來模擬兩種不同流體在該新型靜態混合器內的混合過程，分析內外扭旋葉片寬度比對混合性能的影響，掌握寬度比對混合性能影響的規律。

1.1模型及研究變量

本文所研究的混合單元由四個混合元件構成，每個混合元件由旋向相反的內葉片和外葉片同心裝配而成，內、外葉片具有相同的扭旋中心線，即混合管軸線。本章所研究的各混合元件內、外葉片的數量均為3。

本文所研究混合管內徑D=50mm，管長L=500mm，混合單元（四個混合元件）總長Li=300mm，連續相流體入口長度La=125mm，分散相流體入口管內徑與混合管內徑相同，兩管呈垂直狀態，分散相入口管距離混合管入口端面Lb=25mm，連續相入口至T型管相交位置距離Lc=50mm，扭旋片厚度均為δ=1mm。外葉片與內葉片寬度比范圍為0-1，長度均為H=75mm（扭轉180°的軸向長度）。混合管結構如圖1所示。

1.2 模擬方案

本文的連續相和離散相工質均為液態水（物性溫度分別為20℃和80℃），在本文的模擬中對兩相流體均做以下假定：在Re=400的工況下物性參數均為定值;兩股流體均為連續的不可壓縮牛頓流體;在整個模擬過程中均不考慮重力對流體的影響。

1.3網格無關性檢驗

模擬時網格密度過大會使計算量劇增，耗費大量計算機時，而網格密度過小則會影響計算精度。因此，為確定最佳網格密度，本文以流體流過最后一個混合元件時的混合效果（分離強度）為標準，進行網格無關性檢驗。如圖2所示。隨著網格密度的增加，分離強度逐漸趨于穩定，網格密度大于等于1.5/mm3時，幾乎保持不變，說明此時計算精度已不受網格數量影響。在同時保證收斂速度和計算精度的情況下，本文全部模擬均將網格密度控制在1.5/mm3左右。

2 混合性能

2.1 軸向濃度分布

圖3為不同扭旋角混合器軸向截面連續相的濃度分布云圖，顏色由紅到藍代表連續相濃度逐漸變小。

對含混合元件段進行分析可以得到：內置α=60°混合原件的混合效果較差，混合效率相較于其他混合管最低;α=90°的混合管混合效果略好于α=60°的混合管但總體混合效果依然較差，第四混合元件出口出依然存在大片高濃度區域;α=120°的混合管中流體在流經第三混合元件時僅存在少部分高濃度區域，相比于以上兩種混合管混合效果提升明顯;α=150°的混合管中流體流經第三混合元件中段時已經基本不存在高濃度區域，說明混合效果隨扭旋角的增大增勢明顯。α=180°的混合管中流體的混合趨勢與α=150°的混合管基本一致，提升微小，以此推斷扭旋角對混合效果的影響在α=150°以上時可能不再會有太大提升。

由圖3可知，混合元件促進了流體之間的擴散，加速混合過程。同時混合元件的混合能力隨扭旋角的增大而增強（α<150°時），增大扭旋角內能夠顯著提高了流體徑向混合能力，因此達到同樣的混合效果所需的混合元件數量相對較少。

2.1 混合效果定量分析

本文繼續將研究對象進行定量分析。采用分離強度來定量表征混合器的混合效果，分離強度表示實際測得的混合流體濃度方差與完全分離體系（未混合）的方差的比值，公式如下式中，為混合器的某一截面某組分m個采樣點體積分數的平均值;為混合器的某一截面的不同位置的某組分的體積分數值。

分離強度表達式表明，在完全分離的情況下，分離強度值為1;混合均勻時，分離強度為0。分離強度數值的越小，代表了流體的混合效果越好。

由圖4可以驗證上一節對云圖分析，α=60°-150°時隨扭旋角的增大混合效果增加明顯，而α=150°和α=180°總體混合效果差別不大。在α由60°增加到90°時明顯可以看到兩分離強度曲線間隔最大，對于混合效果的提升也是最大。由圖中兩條橫向等值線（點劃線）可以看到，分離強度達到0.47時α=60°的混合器需要至少兩個混合元件的長度，而α=90°的混合器僅需要1.66個混合元件長度既能達到此混合效果，扭旋角大于120°以上的混合器僅需要一個左右混合元件長度即分離強度即可達到0.47。同樣當α=60°的混合器分離強度達到0.36時，需要至少三個混合元件長度，α=90°的混合器需要2.3個混合元件長度，α=120°-180°的混合器需要大約2個混合元件長度。由圖中縱向等值線可以看出，隨著扭旋角的增大，上下臨近的兩條曲線的間距在逐漸減小，說明扭旋角的增大對混合效果的影響在逐漸間減弱。

4 結論

（1）在較低雷諾數下，本文所研究的幾種扭旋角的扭旋元件其混合效果均隨著扭旋角的增大而提升。

（2）較低雷諾數狀態下，本文研究的幾種雙螺旋結構的靜態混合器中，扭旋角為180°的混合器混合效果最好。

（3）較低雷諾數狀態下，本文研究的幾種雙螺旋結構的靜態混合器混合效果在扭旋角0°-150°之間時混合效果提升最大。

參考文獻：

[1]龔斌[1]， 包忠平[1]， 張春梅[1]， et al. 混合元件數對SK型靜態混合器流場特性的影響[J]. 化工學報， 2009（8）.

[2]龔斌， 吳劍華， 王宗勇，等. SK型靜態混合器流體湍流時傳熱性能的研究[J]. 高校化學工程學報， 2008， 22（3）：24-28.