HEV型靜態(tài)混合器翼片結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張春梅， 劉 建

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

HEV型靜態(tài)混合器又稱(chēng)內(nèi)置翼片式靜態(tài)混合器，它是Chemineer公司在傳統(tǒng)的Kenics KM型靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上，為更好解決湍流混合而設(shè)計(jì)出的新型靜態(tài)混合器[1].自上個(gè)世紀(jì)90年代問(wèn)世以來(lái)，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、混合性能好、操作彈性大等諸多優(yōu)點(diǎn)[2],而得到了廣泛的應(yīng)用.隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的提高,通過(guò)優(yōu)化翼片結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)HEV型靜態(tài)混合器混合性能已成為一項(xiàng)重要的研究課題.

張鴻雁等[3]采用大渦模擬方法，對(duì)HEV型靜態(tài)混合器內(nèi)部的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了研究,得出的結(jié)論是長(zhǎng)翼片結(jié)構(gòu)混合效果好，能量損失小.金文等[4]對(duì)HEV型靜態(tài)混合器內(nèi)置翼片順排、錯(cuò)排的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果表明：翼片錯(cuò)排對(duì)混合效果有促進(jìn)作用.尹紅霞[5]將翼片與管道壁面的夾角分別設(shè)為背向水流來(lái)流方向和翼片迎向水流來(lái)流方向,通過(guò)分析比較速度矢量和流場(chǎng)分布，證明了翼片背向水流來(lái)流方向時(shí)混合效果優(yōu)于翼片迎向水流來(lái)流方向.陳曉春[1]在不增加翼片排數(shù)的前提下，分別將翼片與管道壁面的夾角設(shè)為30°、45°、60°、與流向垂直，通過(guò)對(duì)比混合效果，得到傾斜角30°時(shí)混合效果最好且壓力損失小.Charbel Habchi等[6]改變內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器的葉片擺放，對(duì)修改前后的混合器進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：周期改變?nèi)~片擺放位置有利于加強(qiáng)湍流強(qiáng)度，可以很好地促進(jìn)混合.凌繼紅等[7]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究證明了HEV型靜態(tài)混合器混合的均勻程度隨著翼片間距的增大呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢(shì)，當(dāng)相鄰翼片間距是1.7D時(shí)，混合效果最好；當(dāng)管道長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著尾距的增加，混合效果不斷提升，但達(dá)到一個(gè)特定的數(shù)值后，繼續(xù)增加尾距則無(wú)明顯改變.艾志久等[8]在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(順排3組翼片,每張翼片指向出口并與壁面呈30°夾角)的基礎(chǔ)上每組增加1張翼片,并采用錯(cuò)排方式進(jìn)行了模擬研究，通過(guò)分析、對(duì)比發(fā)現(xiàn)改造后的結(jié)構(gòu)混合效果更好.

本文擬采用FLUENT計(jì)算軟件，模擬不同翼片長(zhǎng)度下的液-液兩相混合流速場(chǎng)、濃度場(chǎng)和壓力降，計(jì)算混合不均勻度來(lái)評(píng)價(jià)混合效果，進(jìn)而分析翼片長(zhǎng)度對(duì)HEV型靜態(tài)混合器混合性能的作用規(guī)律，優(yōu)化翼片長(zhǎng)度及混合器結(jié)構(gòu)，提高混合效果.

1 數(shù)值模擬

1.1 HEV型靜態(tài)混合器物理模型

HEV型靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由若干梯形翼片以一定的排列方式焊接在混合管壁面構(gòu)成的.選用內(nèi)徑D=100 mm、管長(zhǎng)L=500 mm的混合管，管內(nèi)迎向液流方向布置3排翼片，每排沿圓周均勻布置4個(gè)翼片，第一排翼片距離入口150 mm，相鄰排翼片間距為管徑D.每個(gè)翼片與管壁的切面成45°角，橫向偏轉(zhuǎn)角為0°，其厚度為1 mm.分散相入口為同心套管形式，中心管內(nèi)為油相入口，套管內(nèi)直徑d=30 mm，長(zhǎng)度l=40 mm.

圖1 HEV型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of HEV static mixer

HEV型靜態(tài)混合器的翼片形式有3種，分別為小翼片、寬翼片、長(zhǎng)翼片.本文選用長(zhǎng)翼片結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖2所示.在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，將長(zhǎng)翼片的長(zhǎng)度(參數(shù)H3)分別增加至模型一的1.2倍、1.5倍、1.8倍，建立4組物理模型，4種模型的翼片參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 長(zhǎng)翼片結(jié)構(gòu)Fig.2 Long wing structure

表1 4種模型的翼片參數(shù)Table 1 Wing parameters of four models

利用SOLIDWORKS三維建模軟件，網(wǎng)格生成由FLUENT軟件內(nèi)置的GAMBIT完成，對(duì)葉片表面和壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理.

1.2 求解方法

設(shè)置水相為第一相(主相)，由環(huán)向入口進(jìn)入混合管，汽油為第二相(次相)，由中心管進(jìn)入混合管，且無(wú)相間滑移速度.湍流模型采用Realizablek-ε模型，在FLUENT6.3中選擇三維單精度分離解算器，壓力和速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法，體積分?jǐn)?shù)方程采用QUICK格式，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率均采用second order upwind形式離散.使用殘差作為迭代計(jì)算的監(jiān)視器，各變量的收斂殘差取為10-6.采用速度入口，第一入口為水，第二入口為汽油.兩相入口流速相同，選取速度為1～2 m/s，Re=40 000～85 000.出口邊界條件為自由出口(outflow)，其他未設(shè)置的面默認(rèn)為固壁無(wú)滑移光滑界面.

2 結(jié)果分析

2.1 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3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(xiàn)區(qū)域流體的擾動(dòng)作用并不明顯；在混合器的軸線(xiàn)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(xiàn)區(qū)域延伸，混合器內(nèi)軸線(xiàn)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.

圖3 4種模型在縱向截面湍流強(qiáng)度分布圖Fig.3 Turbulence intensity distribution of four models in longitudinal section

2.2 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4是4種模型在軸上坐標(biāo)z=150 mm時(shí)橫向截面上的速度矢量圖.從圖4中可以看出：油水兩相在流經(jīng)翼片時(shí)，因?yàn)橐砥淖铚?，流體會(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(模型四)時(shí)，漩渦外緣已延伸至軸線(xiàn)區(qū)域附近，有利于軸線(xiàn)區(qū)流體與邊壁區(qū)流體的對(duì)流.

圖4 4種模型在橫向截面的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of four models in horizontal section

2.3 混合密度分析

油水兩相具有較大的密度差，根據(jù)密度云圖，可以直觀地觀察到油水兩相進(jìn)行混合的過(guò)程.理論上，若兩者混合充分且均勻，則混合密度是汽油和水的密度中間的某一定值，根據(jù)其密度變化的趨勢(shì)則可以判斷出混合效果的好壞.圖5是4種模型在縱向截面的混合密度分布圖.圖6是4種模型分別在軸上坐標(biāo)z=150 mm、z=250 mm、z=350 mm、z=495 mm的橫向截面混合密度云圖.

結(jié)合圖5和圖6可以看出：當(dāng)翼片長(zhǎng)度為0.33D和0.396D時(shí)，由于流體的高速運(yùn)動(dòng)，流體在流經(jīng)前兩排翼片時(shí)，翼片對(duì)流體的擾動(dòng)作用并沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)，油水兩相混合效果并不明顯，混合區(qū)域主要集中在兩相沿軸線(xiàn)的密度分層區(qū)；流體流經(jīng)第二排翼片之前，在軸線(xiàn)區(qū)和邊壁區(qū)都有未擴(kuò)散的高密度流體，流體流經(jīng)三排翼片后，邊壁區(qū)高密度流體仍然存在；當(dāng)翼片長(zhǎng)度為0.495D和0.594D時(shí)，翼片對(duì)流體的擾動(dòng)作用明顯增強(qiáng)；可以看到，流體在流經(jīng)第一排翼片時(shí)，油水兩相便已經(jīng)開(kāi)始在邊壁區(qū)和沿軸線(xiàn)的密度分界區(qū)混合.隨著翼片排數(shù)增加，兩相混合發(fā)生區(qū)域的面積也在不斷擴(kuò)大.當(dāng)流體流經(jīng)兩排翼片后，出現(xiàn)大面積未擴(kuò)散的高密度流體的現(xiàn)象已不存在.

圖5 4種模型的縱向截面混合密度分布圖Fig.5 Mixed density distribution of four models in longitudinal section

圖6 4種模型在橫向截面上的混合密度分布云圖Fig.6 Mixed density distribution cloud of four models in horizontal section

2.4 混合不均勻度分析

混合不均勻系數(shù)是應(yīng)用較為廣泛的評(píng)價(jià)混合性能的參數(shù).通常認(rèn)為不均度系數(shù)在0.05以下為混合良好，在0.01以下為達(dá)到完全混合.本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]，采用的不均勻系數(shù)ψ定義為

(1)

其中：σ代表截面上混合濃度分布方差.σ通過(guò)截面上所有點(diǎn)的混合濃度計(jì)算得到，公式如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，n代表截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù).

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算出口處的混合不均勻度系數(shù)，見(jiàn)表2.從表2中可以看出：隨著翼片長(zhǎng)度的增加，混合不均勻度系數(shù)大幅降低，混合效果逐漸變好，即由不完全混合到混合良好再到完全混合.

表2 4種模型出口處混合不均勻度系數(shù)Table 2 Coefficient of mixing nonuniform at the exit of four models

2.5 壓力分析

壓力降是考量裝置消耗能量大小的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).考慮到HEV型靜態(tài)混合器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，有必要對(duì)其壓力降進(jìn)行數(shù)值分析.選用入口截面平均壓力與出口截面平均壓力的差值表示混合器的壓力損失，對(duì)FLUENT軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整理，結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知：翼片長(zhǎng)度的增加使得混合器的壓力損失增大.

表3 4種模型的壓力降Table 3 Pressure drop of four models

通過(guò)前面的分析發(fā)現(xiàn)：翼片長(zhǎng)度增加可以很好地提高混合效果.當(dāng)翼片長(zhǎng)度為0.594D時(shí)，其混合效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有的長(zhǎng)翼片結(jié)構(gòu).但是，其壓力降為現(xiàn)有長(zhǎng)翼片結(jié)構(gòu)的2.3倍，能量消耗過(guò)高.因此，有必要對(duì)翼片長(zhǎng)度為0.594D的靜態(tài)混合器壓力分布進(jìn)行分析，從而找到降低壓力損失的方法.圖7是翼片長(zhǎng)度為0.594D的靜態(tài)混合器縱向靜壓分布圖，從圖7中可以看出：壓力升高的區(qū)域集中在翼片迎向水流方向的一面，在翼片與壁面間的死角區(qū)達(dá)到最大.這是由于流體在混合器中流動(dòng)時(shí)，流體的運(yùn)動(dòng)受到翼片的阻擋，無(wú)法通過(guò)翼片與壁面間的死角區(qū)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，從而?dǎo)致壓力升高.因此，可以考慮增大翼片與壁面死角區(qū)的過(guò)流面積來(lái)降低該混合器的壓力損失.

圖7 翼片長(zhǎng)度為0.594D的壓力分布圖Fig.7 Pressure distribution of the wing length of 0.594D

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 新結(jié)構(gòu)翼片物理模型

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8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9所示.

圖8 新結(jié)構(gòu)翼片F(xiàn)ig.8 New structure wing

圖9 新結(jié)構(gòu)混合器模型示意圖Fig.9 Schematic diagram of the new structure mixer model

3.2 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.

3.3 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0.028 456，其結(jié)果遠(yuǎn)小于0.05，混合效果良好.通過(guò)與表1數(shù)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)：新結(jié)構(gòu)混合器混合效果明顯優(yōu)于原有長(zhǎng)翼片結(jié)構(gòu).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1 141.871 Pa.與表3數(shù)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)：新結(jié)構(gòu)混合器壓降是模型四壓降的1/2左右，與模型一壓降相當(dāng).

4 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(xiàn)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0.028 456，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.