葉片數(shù)量變化對同心雙扭旋元件管內(nèi)流動特性的影響

信東明 丁桂彬 張春梅

摘 ? ? ?要：采用數(shù)值模擬方法對內(nèi)置多個扭旋元件的管內(nèi)流體流動特性進行研究，得到不同雷諾數(shù)下，葉片數(shù)量N對螺旋流場分布、流動阻力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：流體在扭旋元件長度范圍內(nèi)，在扭旋元件的誘導下繞葉片中心做螺旋流動。隨著葉片數(shù)量的增多，管內(nèi)螺旋渦的數(shù)量隨之增多，增加葉片數(shù)量強化了徑向流動。壓力降隨著葉片數(shù)量增加而增加，低雷諾數(shù)下呈線性增加，高雷諾數(shù)時呈非線性增長，當葉片數(shù)達到5之后增長速度明顯降低。

關(guān) ?鍵 ?詞：數(shù)值模擬;扭旋元件;螺旋流場;壓力降;葉片數(shù)量

中圖分類號：TQ053.6 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1707-04

Abstract： The numerical simulation method was used to study the fluid flow characteristics of the tube with multiple torsional elements. The influence of the number of blades N on the spiral flow field distribution and the flow resistance was investigated under different Reynolds numbers. The results showed that the fluid flowed spirally around the center of the blade under the induction of the torsional element within the length of the torsion element. As the number of blades increased， the number of spiral vortices in the tube increased， and the blades increased the radial flow. The pressure drop increased with the increase of the number of blades. It increased linearly under low Reynolds number and increased nonlinearly under high Reynolds number. When the number of blades reached 5， the growth rate decreased significantly.

Key words： Numerical simulation; Torsional rotating element; Spiral flow field; Differential pressure; Number of blades

以KSM型為代表的旋流型靜態(tài)混合器因其具有流動阻力小、對混合器安裝方式無特殊要求、元件加工簡單裝配方便、流動面積大、不易堵塞等優(yōu)點，在化工、制藥、造紙、食品等過程工業(yè)具有大量的應用案例。隨著工藝要求的提高，對KSM型靜態(tài)混合器性能也提出更高的要求。研究表明，混合器內(nèi)混合元件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對其性能有很大影響。例如，Hobbs和Muzzio等[1-5]利用CFD軟件對Kenics型靜態(tài)混合器低雷諾數(shù)情況下流場進行求解，對影響流動和混合的混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。O.Byrde[6]等數(shù)值模擬研究了扭轉(zhuǎn)角對混合效率影響，表明在層流非蠕變條件下，當扭轉(zhuǎn)角180°時混合效率達到最大。李洪亮[7]等采用實驗方法測定了單相流體和兩相流體流經(jīng)KSM型靜態(tài)混合器的壓力降，表明元件螺旋角、元件前后邊緣的光滑程度、元件的形狀偏差和相鄰元件的連接狀況等對流動阻力存在一定影響。張春梅[8]研究了高雷諾數(shù)條件下，長徑比、元件數(shù)目對流場和壓力降影響規(guī)律。

沈陽化工大學在KSM靜態(tài)混合器基礎上開發(fā)出了多種新型旋流靜態(tài)混合器，比如單管多旋靜態(tài)混合器、多流道靜態(tài)混合器等來改善其性能。龔斌[9-10]和孟輝波[11-15]等采用數(shù)值模擬方法對管截面上裝有一至四個扭旋葉片的單管多旋靜態(tài)混合器的流動性進行了分析，二、三、四葉片靜態(tài)混合器存在強和弱兩種旋渦，有利于強化徑向混合;隨著葉片數(shù)量增加，其流動阻力逐漸增大;三、四扭葉靜態(tài)混合器混合效率比兩扭葉的高。王宗勇[16]等在層流范圍內(nèi)對多流道螺旋靜態(tài)混合器中兩種物性接近的流體混合性能進行數(shù)值研究，研究結(jié)果表明：隨著流道數(shù)量的增多，流體的混合性能提高，達到所要的混合元件長度減小。

本文研究的同心雙螺旋靜態(tài)混合器是沈陽化工大學在KSM靜態(tài)混合器基礎上開發(fā)的又一種新旋流型靜態(tài)混合器。這是一個全新的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)同心反向雙螺旋流動。該流動形式與以往旋流型混合器流動特性存在明顯的區(qū)別。本文研究目的是通過對內(nèi)置多個扭旋元件的管內(nèi)流體流動進行數(shù)值模擬，得到不同雷諾數(shù)下，扭旋元件葉片數(shù)量對螺旋流場分布、阻力摩擦系數(shù)f的影響規(guī)律，進而得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，揭示同心雙螺旋靜態(tài)混合器的流動機理，為同心雙螺旋靜態(tài)混合器工業(yè)化應用提供理論依據(jù)。

1 ?數(shù)值模擬

1.1 ?物理模型

圖1為同心雙螺旋靜態(tài)混合器，由混合直圓管和內(nèi)設的若干組同心扭旋元件組成，扭旋元件由內(nèi)、外扭旋葉片構(gòu)成;內(nèi)扭旋葉片位于混合管中心，由長為H、寬度為2Wi、厚度為δ的N塊矩形板繞混合管中心軸線扭轉(zhuǎn)α角而成;外扭旋葉片緊貼混合管內(nèi)壁，長度、厚度、數(shù)量及扭轉(zhuǎn)角與內(nèi)扭旋葉片相同，內(nèi)、外扭旋片旋向相反，葉片寬度為Wo，葉片寬度間存在2（Wi+Wo）=Di關(guān)系，初始周向相錯角90°。相鄰元件之間軸向錯角為β，沿混合管軸向依次排列。本文模擬對象的具體幾何尺寸見表1。

為便于分析，建立如圖1所示的笛卡爾坐標系，坐標原點位于內(nèi)扭旋片入口截面中心位置，x軸和y軸分別與外和內(nèi)扭旋片入口截面的板面相平行，z軸與圓管中心軸線重合并指向流體流動方向。流體在入口均勻流入混合器，在壓力梯度的作用下沿著軸線方向流動，流經(jīng)扭旋元件從圓管出口流出。

1.2 ?參數(shù)設定

利用CFD軟件Fluent 17.0對管內(nèi)螺旋旋流特性進行數(shù)值模擬。采用Solidworks軟件建立相應的幾何模型，在Fluent前處理軟件ICEM中對旋流區(qū)域進行合理的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，生成正交性較好的四面體網(wǎng)格。數(shù)值計算采用三維雙精度求解器，壓力和速度的耦合采用Simplec方法。模擬流體介質(zhì)為20 ℃的水，入口邊界條件為速度均勻入口，出口采用壓力出口形式。定義管入口雷諾數(shù) ，其中ρ為流體密度，μ為流體動力粘度， 為入口平均表觀速度。低雷諾數(shù)部分，采用Laminar模型。高雷諾數(shù)部分，采用k-epsilon realizable模型。連續(xù)性方程殘差收斂到10-5以下，動量方程殘差收斂到10-6以下。

1.3 ?網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

考慮網(wǎng)格疏密程度對數(shù)值精度的影響，本文在同一扭旋元件數(shù)N=2和雷諾數(shù)Re=100條件下對管內(nèi)旋流區(qū)域進行尺寸不同的網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格數(shù)量為 ～ 的范圍內(nèi)，數(shù)值計算得到相應的阻力摩擦系數(shù)，如圖2所示。結(jié)果表明，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多，阻力摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升并最終趨于恒定的變化趨勢，當網(wǎng)格數(shù)量達到 時，f基本趨于恒定。故本文選取網(wǎng)格數(shù)量為 對應的網(wǎng)格尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分。

2 ?結(jié)果及分析

選用入口Re=100和Re=3 000，分別對圖1模型在低雷諾數(shù)下、高雷諾數(shù)下同心雙螺旋流動速度和流動阻力進行數(shù)值模擬計算。

2.1 ?葉片數(shù)量對同心雙螺旋流速場的影響

2.1.1 低雷諾數(shù)下葉片數(shù)量對螺旋流場分布的影響

為了分析葉片數(shù)量對螺旋流場分布的影響，提取流速計算數(shù)據(jù)，做出截面速度流線圖及軸向時均速度云圖進行的對比分析。如圖3所示，給出了葉片數(shù)量分別為2、3、4、5時，各個扭旋元件模型在z/H=0.225截面的截面速度流線圖。

從截面流線圖可以看出，流體流動在管截面內(nèi)形成與相應扭旋片旋向相同的渦流。隨著葉片數(shù)量的增多，邊壁區(qū)域的流體流動面積逐漸擴大，同時流體流動的寬度范圍逐漸增大，直到與外扭旋元件寬度一致，說明管內(nèi)葉片數(shù)量變化決定了邊壁流體面積的大小。從軸向時均速度云圖中可以看出，在外扭旋葉片區(qū)域，軸向速度高速區(qū)沿周向均布，數(shù)量與葉片數(shù)相當;在內(nèi)扭旋葉片區(qū)域，軸向速度隨著葉片數(shù)增加逐漸減弱。截面流線圖和軸向速度云圖結(jié)合來看可知，流體在扭旋元件長度范圍內(nèi)，在扭旋元件的誘導下繞葉片中心做螺旋流動。隨著葉片數(shù)量的增多，管內(nèi)螺旋渦的數(shù)量也隨之增多。因為葉片數(shù)量的增多，流體做螺旋流動的旋轉(zhuǎn)中心數(shù)量增多，其數(shù)量變化為3、4、5、6。葉片數(shù)量N=5時，旋渦數(shù)量最多、徑向流線區(qū)域最大。

2.1.2 ?高雷諾數(shù)下葉片數(shù)量對螺旋流場分布的影響

為了分析高雷諾數(shù)下葉片數(shù)量不同時混合器內(nèi)的螺旋流場分布情況，給出了Re=3 000、z/H=0.225條件下截面處葉片數(shù)量為兩葉、三葉、四葉、五葉等類型同心雙螺旋靜態(tài)混合器的速度矢量圖及時均速度云圖，如圖4所示。

從截面速度矢量圖可以看出，流體在內(nèi)外葉片寬度范圍內(nèi)分別隨相應葉片做旋轉(zhuǎn)運動，隨著葉片數(shù)量的增多，邊壁區(qū)域的流體徑向流動程度明顯增強。從軸截面時均速度云圖中可以看出，在外扭旋葉片區(qū)域，時均速度隨著葉片數(shù)增加逐漸增強;在內(nèi)扭旋葉片區(qū)域，時均速度隨著葉片數(shù)增加緩慢減弱。由此可知，管內(nèi)渦流數(shù)量隨葉片數(shù)增加而增加，其數(shù)量變化為2、4、5、6。葉片數(shù)量N=5時，旋渦數(shù)量最多，獲得的徑向流動效果最為顯著。

2.2 ?葉片數(shù)量對同心雙螺旋流流動阻力的影響

2.2.1 ?低雷諾數(shù)下葉片數(shù)量對流動阻力的影響

為了分析葉片數(shù)量對管內(nèi)流動阻力的影響，針對Re=100情況下計算了N=2、3、4、5時，管內(nèi)混合元件長度范圍內(nèi)壓力降。其相應關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看出，在低雷諾數(shù)下，隨著葉片數(shù)量的增多，壓力降逐漸增大，呈現(xiàn)線性曲線勻速增長規(guī)律。N=4、N=5時的壓力降分別為N=2時的2.1倍、2.7倍。分析這種現(xiàn)象的原因是流體在低流速下流動，管內(nèi)葉片數(shù)量增多，流體流動面積減小，流速增大且與葉片表面或壁面均勻摩擦，流動阻力逐漸增大。

2.2.2 ?高雷諾數(shù)下葉片數(shù)量對流動阻力的影響

在Re=3 000條件下，計算了不同葉片數(shù)量時管內(nèi)壓力降，繪制了壓力降隨葉片數(shù)量變化的曲線圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，在高雷諾數(shù)下，隨著葉片數(shù)量的增大，壓力降也隨之增大，但增加的相對幅度先勻速，后變小;在葉片數(shù)量N=2～4范圍內(nèi)，其壓力降變化呈線性增長的趨勢，N=4時的壓力降為N=2時的1.6倍，比Re=100的增長速度低;在葉片數(shù)量N=4～5范圍內(nèi)，其壓力降呈非線性增長的趨勢，增長速度明顯減緩，N=5時的壓力降為N=2時的1.73倍。照此趨勢發(fā)展下去，葉片數(shù)繼續(xù)增加，對流體流動阻力的影響作用將一直弱化。這種現(xiàn)象的原因是管內(nèi)流體慣性力大于元件表面摩擦力，使大部分流體沿著軸向流動。

3 ?結(jié) ?論

對于多個扭旋元件結(jié)構(gòu)，不同雷諾數(shù)下流動特性的分析，以螺旋流場分析、壓力降作為評價指標。

1） 從流場分析上來看：流體在扭旋元件長度范圍內(nèi)，在扭旋元件的誘導下繞葉片中心做螺旋流動。隨著葉片數(shù)量的增多，管內(nèi)螺旋渦的數(shù)量也隨之增多。無論處于低雷諾數(shù)還是高雷諾數(shù)下，增加葉片數(shù)量強化了徑向流動。

2） 從流動阻力分析上來看：低雷諾數(shù)時，隨著N的增加壓力降數(shù)值線性增長;高雷諾數(shù)時，隨著N的增加壓力降數(shù)值非線性增長，當葉片數(shù)增加到5后，壓力降增長速度明顯減慢。

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