混合強化技術(shù)在噴氣燃料在線添加防冰劑中的應(yīng)用展望

魏一方，雷玉瑩

1.海軍研究院特種勤務(wù)研究所，北京，102400，2.海裝駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海，200001

0 引言

液液混合技術(shù)在精細(xì)化工、冶金工業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)保工業(yè)、生物工程等領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用。兩種或多種液體通過混合，改變原有的物理或化學(xué)性質(zhì)，以滿足生產(chǎn)和使用需要。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，液液混合技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和應(yīng)用領(lǐng)域，目前常用的強化混合方法有攪拌混合、噴射流混合、撞擊流混合、靜態(tài)混合、動態(tài)混合等。特別是近些年計算機流體力學(xué)和人工智能的應(yīng)用，使液液混合過程的研究更加直觀和有說服力。本文針對多種強化混合技術(shù)在研究方面取得的成果進(jìn)行綜述，分析各種技術(shù)的特點，對如何在噴氣燃料在線添加防冰劑過程中應(yīng)用流體強化混合技術(shù)，提出自己的建議，為下一步的計算機仿真分析及工業(yè)化應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 液液混合機理

液液混合過程主要依賴于層流混合和湍流混合。粘度較大的液體間的混合一般是通常為層流混合，實際工業(yè)生產(chǎn)中涉及的液體物料粘度大多比較低，在混合過程中多通過湍流混合實現(xiàn)。湍流的混合機理相對層流更為復(fù)雜，當(dāng)兩束液體混合時，可根據(jù)渦旋的大小分為宏觀混合、介觀混合和微觀混合，從運動方式上看，可對應(yīng)為主體對流、渦旋運動和分子擴散。流體在湍流的拉伸、剪切作用下，通過互換位置進(jìn)行物質(zhì)傳遞，三種混合隨著渦旋的變形、分割依次進(jìn)行，但在一定程度上也是在同時進(jìn)行，直到渦旋微團尺寸足夠小時，分子間的擴散使混合物在分子水平上達(dá)到高度的均一性[1]。依據(jù)Fick定律t～d2/D，兩種混合流體處于同一通道內(nèi)時，由于分子擴散的路徑被大大縮短，依靠分子自身的擴散就可以實現(xiàn)快速均勻的混合[2]。而渦旋形成的時間一般大于分子擴散需要的時間，所以渦旋形成的快慢一般決定了混合的效率。

2 強化混合技術(shù)

2.1 攪拌混合技術(shù)

傳統(tǒng)攪拌混合方式分為機械攪拌和氣流攪拌，氣流攪拌由于攪拌能力較弱，通常只應(yīng)用于低粘度物料攪拌混合。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用機械攪拌的方法，約有85%的液液混合是通過機械攪拌的方式完成，機械攪拌設(shè)備主要由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌釜設(shè)計屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，在攪拌釜機械設(shè)計和工業(yè)設(shè)計方面，趙述芳[3]等人采用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對姜黃納米顆粒制備過程中的使用的攪拌釜的尺寸、攪拌形式、攪拌轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行深入研究，劉凱[4]利用CFD技術(shù)證明了六折葉攪拌槳攪拌效果明顯優(yōu)于六直葉攪拌槳，李冰[5]等人探究了剛?cè)峤M合的攪拌槳葉結(jié)構(gòu)變化對攪拌效果的影響，張曉雨[6]等人對六斜葉、六直葉、Rushton渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬研究，蔣宇健[7]通過數(shù)值模擬方法研究了攪拌槳距變化對攪拌效果的影響。劉昭良等[8]人研究了雙旋渦輪葉片數(shù)、葉片及中心軸開孔等因素對混合過程中流場的影響Zhuan[9]、Li[10]等人設(shè)計了新型雙旋流攪拌器和十字環(huán)面槳式混合器，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。對于攪拌過程中的流體運動方面，陶保林[11]、楊義[12]、熊仲營[13]、Hadane[14]等通過計算流體技術(shù)模擬了磷酸攪拌過程中固-液兩相流場特點、固體顆粒分散方式、攪拌功率等，賈慧靈[15]等通過仿真研究了錐盤底固液混合時的液體濃度場分布，李希銘[16]等人在顆粒動力學(xué)理論基礎(chǔ)上模擬了帶檔板的圓盤渦輪槳式攪拌器內(nèi)的固液流動。除此之外，趙洋[17]對新型攪拌技術(shù)中的氣流攪拌進(jìn)行了探索。攪拌混合技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展在工藝上有很大的改進(jìn)，但自身依然存在軸封泄露、混合死區(qū)、混合均勻度不夠、不能連續(xù)化生產(chǎn)等問題。

2.2 噴射流混合技術(shù)

射流混合技術(shù)最早由Fossett和Prosser[18]提出，經(jīng)過70多年的發(fā)展，已成為工業(yè)生產(chǎn)中液液混合的常用技術(shù)之一，實現(xiàn)方式是通過噴射器將一種液體流以一定角度高速噴射到另一種相對流速較慢的流體中進(jìn)入混合室，由于兩種液體間的速度和壓力差，兩種液體進(jìn)行質(zhì)量、動量及能量交換，實現(xiàn)液液混合，隨后混合流隨主流體一同流動實現(xiàn)混合。目前隨著現(xiàn)代計算流體技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對射流噴射混合技術(shù)開展了大量研究，主要集中在噴射器設(shè)計，結(jié)構(gòu)優(yōu)化、射流混合時間。陶海[19]等人通過設(shè)計的強化輻射床式環(huán)流噴射反應(yīng)器，運用二維粒子圖像測速系統(tǒng)研究了噴射器內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)、流體的速度、動能、渦量等參數(shù)，考察了噴射器出口結(jié)構(gòu)對反應(yīng)器流體性能的影響。林柯利[20]等采用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了噴射流混合過程中不同操作條件對混合效果的影響，畢榮山[21]等建立了液液宏觀混合和微觀混合模型，對噴射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，利用兩環(huán)境矩直接積分模型，研究了噴射器內(nèi)液液平行-競爭反應(yīng)體系。Coldrey[22]的研究表明射流通過側(cè)面斜入射能夠減少混合時間，并證明了混合時間與噴射口的射流雷諾數(shù)無關(guān)。Patwardhan[23]等用電導(dǎo)法研究了噴嘴直徑、噴嘴處入射速度及角度等對射流攪拌混合時間的影響。Wang[24]等設(shè)計了新型同軸相對射流混合器，通過數(shù)值模擬的方法研究了其內(nèi)部的流體流動及混合特性。Manjula[25]等用電導(dǎo)法研究了兩個射流噴嘴存在同時噴射的情況下，噴嘴的相對位置和角度與混合時間的關(guān)系。Zughbi等[26]對混合過程中不同射流位置分布進(jìn)行研究，射流攪拌槽內(nèi)射流。利用實驗和數(shù)值模擬方法驗證了非對稱射流在混合效果方面比對稱射流更好。射流混合技術(shù)由于需要將液體進(jìn)行高速噴射，在能量消耗方面較大，在大流量液體噴射時的混合噴射效率會影響到混合時間，同時在遠(yuǎn)程控制方面其反應(yīng)速度會明顯低于電路中的電子器件，并且容易堵塞，所以應(yīng)用場景具有一定的局限性。

2.3 靜態(tài)混合技術(shù)

靜態(tài)混合器主要依靠自身的流動實現(xiàn)液液混合，如今在工業(yè)化生產(chǎn)方面也應(yīng)用十分廣泛，可滿足多種不同相流體之間的混合。主要混合思想是“分割-位移-匯合”，在位移、變形過程中出現(xiàn)湍流時，斷面還會出現(xiàn)強烈的渦流，對流體進(jìn)行分割，進(jìn)而實現(xiàn)充分混合。靜態(tài)混合器最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，國外開始出現(xiàn)Kenics、Sulzer、Ross、Hi等型號靜態(tài)混合器，從80年代開始，我國開始研發(fā)并于90年代制定出標(biāo)準(zhǔn)的SK型、SV型、SX型、SH型、SL型5種類型的混合器。其中應(yīng)用最廣泛的是SK、SV型，SK型更是工業(yè)界認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)混合器。目前，對靜態(tài)混合器中液液分散的研究主要集中在分散混合性能方面。龔斌等[27]、張春梅等[28]等通過實驗研究，計算了靜態(tài)混合器中流體在層流流動狀態(tài)和湍流流動狀態(tài)下受到的阻力，并擬合出流體阻力理論計算方程。王修剛[29]、Jianhua W[30]等通過實驗數(shù)值模擬的方法研究了靜態(tài)混合器中液液在層流和湍流狀況下的分散過程。高祖昌[31]等設(shè)計了四旋混合器，從結(jié)構(gòu)上對SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行了優(yōu)化，提升了混合效果。趙建華[32]等利用粒子映像測速（PIV）技術(shù)測量了靜態(tài)混合器出口處的流場分布,同時與計算流體力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)行了比較，張鴻雁[33]等通過大渦旋模擬方法對比了3種具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜態(tài)混合起的混合效果，研究了混合過程中流場和濃度場分布，李治建[34]等設(shè)計了一種靜態(tài)混合裝置，通過Polyflow對SK、SX型靜態(tài)混合器中聚乳酸熔體的流量壓降、溫度場分布、混合場粒子軌跡、剪切速率、剪切應(yīng)力等進(jìn)行研究，研究了混合原件數(shù)量對混合性能的影響。王宗勇[35]等通過研究多流道螺旋混合器在層流狀態(tài)下的液體混合特性和混合效果，發(fā)現(xiàn)通道的增加能夠提高管道中流體的混合均勻程度。張呂鴻[36]等將SX型和SK 型混合器二者結(jié)合設(shè)計出一種新型混合器，通過高黏度液體混合實驗驗證了該混合器的性能，能夠很好的滿足工業(yè)混合應(yīng)用要求。谷王[37]對傳統(tǒng)SK 型靜態(tài)混合器進(jìn)行了改良，在混合器內(nèi)部螺旋片上增加了縫隙，實驗證明縫隙能夠增加流體在軸向和徑向方向的混合，提高了混合效率并降低耗能，具有一定應(yīng)用價值。靜態(tài)混合器具有設(shè)備簡單、維護(hù)費用低、耗能少等特點，但也存在著內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有固體產(chǎn)物產(chǎn)生時，容易造成堵塞，清理困難的問題。

2.4 動態(tài)混合技術(shù)

動態(tài)混合是指在混合過程中，流體和混合部件都處在相對運動的狀態(tài)。動態(tài)混合器一般是在殼體或管道內(nèi)安裝運動部件，相比于靜態(tài)混合器，動態(tài)混合部件由于其本身的運動，會對其中的流體進(jìn)行更頻繁的切割、分流、擠壓等作用，使流體的流動情況更加復(fù)雜，達(dá)到液液快速混合效果，特別是對高粘度物料的混合效果更好。動態(tài)混合器的設(shè)計沒有固定形式，所以目前大多數(shù)研究集中在不同類型運動部件設(shè)計及混合效果的研究。劉嬌[38]在組合轉(zhuǎn)子強化傳熱理論基礎(chǔ)上，對混合器轉(zhuǎn)子排列方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，模擬仿真研究了低流阻和螺旋階梯轉(zhuǎn)子的最佳組合方式，討論了轉(zhuǎn)子偏心程度對混合特性的影響。張文強[39]研究了球穴交錯排列結(jié)構(gòu)混合部件在熔體直紡中的應(yīng)用，模擬仿真了動態(tài)混合過程中的壓力場和溫度場變化，楊優(yōu)生[40]通過實驗研究了固液混合中過程中隨動式動態(tài)混合器的混合特性，對不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子、不同流體流速、不同兩相流交匯方式對混合效果的影響進(jìn)行了分析。彭世金[41]等設(shè)計了一種新型動態(tài)混合器，通過實驗仿真驗證了其中的主動旋轉(zhuǎn)葉輪在動態(tài)混合過程中會使流體產(chǎn)生更加復(fù)雜的流動和渦旋，相對于傳統(tǒng)混合器具有更好的混合效果。鄭勐[42]等設(shè)計出一種帶有16個旋轉(zhuǎn)葉片的動態(tài)混合轉(zhuǎn)子，用于混合澆筑行業(yè)的動態(tài)混合器，通過實驗證明該混合器在混合環(huán)氧樹脂與甲基納迪克酸酐溶液中有很好的混合效果。動態(tài)混合器以其優(yōu)秀的混合效率與混合效果成為未來研究的熱點，但動態(tài)混合器現(xiàn)在還缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用方面還需要進(jìn)一步探索，同時其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了其制作成本相對較高。

3 噴氣燃料防冰劑添加現(xiàn)狀

噴氣燃料中的防冰劑通過結(jié)合燃料中的水分，防止在低溫環(huán)境下燃料中水分析出結(jié)成冰晶，堵塞飛機燃料系統(tǒng)，避免安全事故的發(fā)生。然而在噴氣燃料運輸、存儲、使用過程中，難免會從環(huán)境中吸入一定的水分，水含量的增加會中和噴氣燃料中的防冰劑，導(dǎo)致其含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，降低油料的品質(zhì)。當(dāng)噴氣燃料中防冰劑含量不達(dá)標(biāo)時，需進(jìn)行一定比例的補加。

目前防冰劑補加的方法主要是針對儲存罐中的噴氣燃料進(jìn)行離線補加，一種方法是在流動噴氣燃料中直接接入對應(yīng)比例的防冰劑，依靠液體的流動和循環(huán)完成混合，另一種是首先將防冰劑和部分噴氣燃料通過攪拌形成母液，再通過接入噴氣燃料管道中進(jìn)行循環(huán)，最終完成混合。未來為實現(xiàn)噴氣燃料防冰劑在線加注技術(shù)，必須要解決傳統(tǒng)補加混合方式中遇到的混合效率低、混合效果較差、混合時間較長的問題。

4 展望

根據(jù)強化混合技術(shù)的研究現(xiàn)狀，未來研究可選擇多種強化混合技術(shù)結(jié)合的方式來提升噴氣燃料與防冰劑的混合特性。防冰劑在噴氣燃料中的含量要求一般控制在0.1%～0.2%之間，可以看出需混合的兩種液體的量相差較大，首先可選擇射流混合技術(shù)，將防冰劑噴射到一定量的噴氣燃料之中形成母液，完成防冰劑在母液中的初次混合，隨后利用動態(tài)混合器，將噴氣燃料母液與主管道相連，實現(xiàn)噴氣燃料與防冰劑的再次混合，這樣通過兩次強化混合可以使防冰劑分子更快地擴散到噴氣燃料中，提高混合質(zhì)量。在整體研究過程中應(yīng)通過計算流體力學(xué)仿真的方法，充分研究噴射流和動態(tài)混合過程中混合流的流場、溫度場等，通過對噴射器、動態(tài)混合轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，調(diào)整和優(yōu)化混合過程中各有關(guān)參數(shù)實現(xiàn)裝置混合特性的提升。