HEV型靜態(tài)混合器翼片結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王冠宇

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1 結(jié)果分析

1.1 湍流強(qiáng)度分析

由Kolmogorov理論可知：湍流場(chǎng)是由各種大小不同的渦構(gòu)成的，這些旋渦中蘊(yùn)含著流體的大部分能量。尺寸越大的渦旋含有的能量越多，尺寸較小的渦旋含有的能量相對(duì)就較少。當(dāng)外界沒(méi)有能量持續(xù)輸入的時(shí)候，由于各種原因，會(huì)造成大尺寸渦旋外緣上兩端間的流體產(chǎn)生較大的速度差，這種速度差會(huì)使渦旋產(chǎn)生一定的剪切力，在這種剪切力的作用下，大尺寸渦旋會(huì)逐級(jí)分裂成許多較小尺寸渦旋。由于小渦旋的產(chǎn)生使流場(chǎng)湍動(dòng)能增加，而湍動(dòng)能的增加有利于混合，故研究湍動(dòng)能的分布可以得出翼片的作用效果、混合發(fā)生的主要區(qū)域。

圖1是4種模型的縱向截面湍流強(qiáng)度分布圖，紅色表示湍流強(qiáng)度較高的區(qū)域，藍(lán)色表示湍流強(qiáng)度較低的區(qū)域。從模型一、模型二的湍流強(qiáng)度分布圖可以看出：由于翼片的長(zhǎng)度有限，對(duì)軸線區(qū)域流體的擾動(dòng)作用并不明顯；在混合器的軸線附近，存在大面積湍流強(qiáng)度較低的區(qū)域。從模型三、模型四的湍流強(qiáng)度分布圖可以看出：隨著翼片長(zhǎng)度逐漸增加，翼片向軸線區(qū)域延伸，混合器內(nèi)軸線區(qū)域的湍流強(qiáng)度明顯增大；混合器內(nèi)并沒(méi)有出現(xiàn)大面積低湍流強(qiáng)度區(qū)域，湍流強(qiáng)度的最大值也逐漸變大。結(jié)合Kolmogorov理論可以推測(cè)，翼片長(zhǎng)度增加可以很好地促進(jìn)HEV型靜態(tài)混合器內(nèi)的流體混合[1]。

圖1 4種模型在縱向截面湍流強(qiáng)度分布圖

1.2 速度矢量分析

為了解翼片增長(zhǎng)對(duì)流體流動(dòng)的影響，選取流體流經(jīng)第一排翼片的速度矢量圖為研究對(duì)象。圖2是4種模型在軸上坐標(biāo)z=150mm時(shí)橫向截面上的速度矢量圖。從圖2中可以看出：油水兩相在流經(jīng)翼片時(shí)，因?yàn)橐砥淖铚黧w會(huì)繞過(guò)翼片，在翼片后方形成漩渦。根據(jù)湍流混合理論，漩渦尺寸越大，分裂為小漩渦的次數(shù)就會(huì)越多，越有利于兩相的混合，漩渦外緣上兩端間流體的速度差形成的剪切力，也會(huì)促進(jìn)流體由高速區(qū)向低速區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著翼片長(zhǎng)度的增加，漩渦的影響區(qū)域面積不斷擴(kuò)大。當(dāng)長(zhǎng)度為0.594D時(shí)，漩渦外緣已延伸至軸線區(qū)域附近，有利于軸線區(qū)流體與邊壁區(qū)流體的對(duì)流[2]。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 新結(jié)構(gòu)翼片物理模型

圖2 4種模型在橫向截面的速度矢量圖

圖3 新結(jié)構(gòu)翼片

新結(jié)構(gòu)翼片是通過(guò)改進(jìn)長(zhǎng)度為0.594D的翼片而來(lái)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。將長(zhǎng)度為0.594D的翼片按圖中所示參數(shù)，剖分成為兩個(gè)翼片，分別命名為前翼片和后翼片，前后翼片旋轉(zhuǎn)角為90°，新結(jié)構(gòu)翼片仍按原有位置均勻布置在混合器內(nèi)，混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)同上文一致，如圖4所示。

圖4 新結(jié)構(gòu)混合器模型示意圖

2.2 新結(jié)構(gòu)混合器求解方法

對(duì)于新結(jié)構(gòu)的混合器，模擬方法與前文相同。

2.3 新結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果分析

采用前文方法計(jì)算新結(jié)構(gòu)的混合不均勻度系數(shù)以及壓力降數(shù)值，并將計(jì)算結(jié)果與模型一、模型四相關(guān)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而分析3種不同結(jié)構(gòu)翼片對(duì)混合器混合性能的影響。導(dǎo)出FLUENT模擬數(shù)據(jù)，計(jì)算得出新結(jié)構(gòu)混合器出口處混合不均勻度系數(shù)為0.028456，其結(jié)果遠(yuǎn)小于0.05，混合效果良好。導(dǎo)出入口截面平均壓力與出口截面平均壓力數(shù)值，計(jì)算差值得出新結(jié)構(gòu)混合器壓力降為1141.871Pa。

3 結(jié)論

（1）流體在HEV型靜態(tài)混合器內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到內(nèi)置翼片的約束和影響。翼片長(zhǎng)度增加，翼片對(duì)軸線區(qū)域流體的擾動(dòng)增強(qiáng)，有利于液液兩相流體的混合。（2）隨著翼片長(zhǎng)度增加，HEV型靜態(tài)混合器的混合效果增強(qiáng)。當(dāng)翼片長(zhǎng)度為0.33D、0.396D時(shí)，最終混合效果均未達(dá)到良好狀態(tài)；當(dāng)翼片長(zhǎng)度為0.495D時(shí)，最終混合效果達(dá)到良好狀態(tài)；當(dāng)翼片長(zhǎng)度為0.594D時(shí)，最終混合效果達(dá)到均勻狀態(tài)。同時(shí)，混合管的壓力降也逐漸增大。（3）新型的HEV型靜態(tài)混合器壓力降與現(xiàn)有的HEV型靜態(tài)混合器壓力損失相差不大；混合不均勻系數(shù)為0.028456，混合效果良好。模擬結(jié)果顯示：新結(jié)構(gòu)HEV型靜態(tài)混合器是一種合適的、性能良好的靜態(tài)混合器[3]。