刮膜蒸發(fā)器內(nèi)非牛頓流體流場特性數(shù)值模擬*

鄭所生 黃瑤 鄒鯤 彭倚天

(東華大學機械工程學院,上海 201620)

刮膜蒸發(fā)器是通過旋轉刮板強制成膜,可實現(xiàn)高黏度非牛頓流體類物料平穩(wěn)蒸發(fā)的新型高效蒸發(fā)器.蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動、分布與傳輸機制直接決定了蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率與功耗.不同于現(xiàn)有研究主要基于牛頓流體開展,本文針對不同黏度的非牛頓流體,建立蒸發(fā)器三維計算流體動力學模型,系統(tǒng)研究了蒸發(fā)器內(nèi)的流場分布特性和成膜機理.結果表明:低黏非牛頓流體的流場分布特性和牛頓流體類似,物料可在壁面形成均勻且連續(xù)的液膜;隨著黏度的增加,液膜的均勻性和連續(xù)性逐漸變差.通過對流場分布與傳輸形式的研究,結合液膜分布、速度分布、剪應變率分布,以及黏度分布進行對比分析發(fā)現(xiàn),蒸發(fā)器內(nèi)部結構與運行狀態(tài)形成的剪切場與黏度分布是蒸發(fā)器良好成膜的關鍵.此外,提出對刮板前緣進行彎折可輔助高黏流體液膜鋪展,并對最佳彎折角度進行探索.本研究為刮膜蒸發(fā)器的設計和應用提供了理論指導與依據(jù).

1 引言

刮板薄膜蒸發(fā)器廣泛應用于化工、醫(yī)藥、食品、紡織等行業(yè)[1],用于濃縮原料溶液,實現(xiàn)溶劑的完全回收.作為一種新型高效蒸發(fā)器,其結構如圖1(a)所示,轉軸以固定的角速度旋轉,帶動刮板將物料刮成厚薄均勻的液膜,從而為黏性流體提供更高的傳熱傳質(zhì)速率,適用于熱敏性、高黏度及易結晶物料加工.

自20 世紀40 年代薄膜蒸發(fā)器問世以來,國內(nèi)外學者對其流動機理、傳熱傳質(zhì)、性能及制造應用等進行了大量研究[2,3].其中,蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動、分布與傳輸機制直接決定了蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率與功耗,因此流體流動問題是受到研究者們關注最多的課題之一.Mutzenburg[4]闡述了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動型態(tài).如圖1(b)所示,流動可視為由刮板引起的切向流與重力引起的軸向流動的組合,產(chǎn)生三個不同區(qū)域的復雜流型:刮板前緣形成圈形波,此部分流體呈螺旋狀向下流動;刮板后緣附近形成紊流液膜;紊流液膜與下一個圈形波之間由于刮板作用的消失形成層流液膜.Mckelvey 和Sharps[5]認為圈形波的流動是理解整個攪拌薄膜流動的關鍵.對于高黏流體,薄膜依靠自身重力流動很慢,使用刮板后,形成圈形波,一方面起均布液膜的作用;另一方面,圈形波與液膜相遇并劇烈混合,促進了物質(zhì)交換.Komori 等[6-8]通過實驗和計算發(fā)現(xiàn),直列刮板薄膜蒸發(fā)器內(nèi)圈形波流動的液體占總流量的60%以上,圈形波與液膜流體之間的混合受到嚴重抑制.

圖1 (a)刮板薄膜蒸發(fā)器結構簡圖;(b)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動示意圖[4]Fig.1.(a) Schematic of agitated thin film evaporator (ATFE);(b) scheme of fluid flow process in ATFE[4].

上述研究通過數(shù)值計算和實驗進行,但都存在較大的限制.例如由于流場問題的復雜性,既無法作分析求解,也因費用昂貴而無力進行實驗確定.而計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)的方法具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優(yōu)點[9],在相關研究中顯示出巨大活力.研究[10-13]主要集中于流動結構及混合機理、液膜厚度和流速、液體滯留量、停留時間分布等,并關注蒸發(fā)器結構參數(shù)和工藝參數(shù)對它們的影響,對薄膜蒸發(fā)器的設計和推廣應用提供了較好的支撐.令人關注的是,CFD 仿真所用流場模型經(jīng)歷了不斷完善,進一步推進了流場仿真的真實性和可信度.較早的文獻[10]建立的簡單二維流場模型,完全沒有考慮軸向的信息;文獻[11,12]中基于液膜流態(tài),把復雜的圈形波流動簡化為與刮板成 45°角的三角形區(qū),建立了三維模型,但該模型預定義了流場區(qū)域且未考慮氣相,無法完整體現(xiàn)出氣液兩相自由界面的動態(tài)分布情況;文獻[13]中對三維薄膜蒸發(fā)器進行了CFD 模擬,綜合考慮蒸發(fā)器內(nèi)氣液兩相流的流動,驗證了圈形波沿蒸發(fā)器內(nèi)壁螺旋傳播,發(fā)現(xiàn)剪應變率和動能耗散在刮板和內(nèi)壁之間的間隙處是顯著的.

值得注意的是,上述研究中選取的物料多為牛頓型流體,且黏度集中在10 Pa·s 內(nèi),關于高黏度非牛頓型物料在此類蒸發(fā)器內(nèi)的仿真研究至今鮮見報道,僅有少量實驗研究[14].而在薄膜蒸發(fā)器中加工的物料,如藥物、食品、聚合物、樹脂等,大多數(shù)都是非牛頓型流體.相比于牛頓流體,非牛頓流體的黏度范圍更廣,從10—3Pa·s (類似水的黏度)至104Pa·s 甚至更高,且黏度隨剪應變率變化.由此可見,探究非牛頓流體在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場分布及成因是非常有意義的.本文基于三維兩相流場模型,初步研究了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同黏度非牛頓型物料的流場分布特性,進一步探索了液膜形成機理,以期為此類蒸發(fā)器的設計和應用提供可靠的依據(jù).

2 物理數(shù)學模型

2.1 模型建立

本文選用CFD 軟件ANSYS Fluent 進行數(shù)值模擬.圖2(a)為數(shù)值模型的計算域示意圖,模型尺寸參數(shù)來源于文獻中的實驗模型[6].其中,蒸發(fā)器的直徑為250 mm,刮板與蒸發(fā)壁面的間距為1 mm,刮板厚度為3 mm,長度為150 mm.計算區(qū)域有限元網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分.因為蒸發(fā)器內(nèi)流場主要為分布在壁面的液膜和刮板前緣的圈形波,所以在壁面及刮板頂端附近的剪切層進行了局部網(wǎng)格加密,如圖2(b)所示.經(jīng)網(wǎng)格無關性分析,當網(wǎng)格總數(shù)為16044396,最小網(wǎng)格尺寸為0.2 mm 時,誤差最小,模擬效果最好.

圖2 (a)計算幾何模型;(b)網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2.(a) Geometry used for simulation;(b) meshing for the geometry (cross section view).

本次模擬計算過程中,選擇壓力-速度耦合算法,基于壓力求解器進行求解.為簡化計算,特假設流體在流動時為不可壓縮流體,并忽略傳熱傳質(zhì).綜合考慮蒸發(fā)器內(nèi)氣液兩相流的流動,采用流體體積函數(shù)法(VOF 法)來追蹤氣液相界面.初始條件下,蒸發(fā)器內(nèi)充滿氣體,物料以一定質(zhì)量流率0.1 kg/s 從入口處均勻進入蒸發(fā)器,出口處與大氣連通,邊界條件為壓力出口邊界,壓力值為標準大氣壓;通過單運動參考系模型實現(xiàn)旋轉運動,其中流體域以恒定轉速90 r/min 旋轉,刮板相對流體域的速度為0,壁面設置絕對速度為0.

薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流型復雜,由于刮板的作用物料整體呈湍流狀態(tài)[4].對于湍流不可壓縮流體運動的一般情況,我們考慮旋轉參照系中的動量和連續(xù)性方程[15,16],可寫為

其中U是流體速度矢量,p和ρ是流體的壓力和密度,μ是物料表觀黏度,k是湍動能,Ω是刮板旋轉的角速度矢量,I是恒等張量.

使用現(xiàn)代足夠低耗散的SSTk-ω湍流模型(Menter 的剪應力傳輸模型[17])封閉動量方程,該模型增加了湍動能k和比耗散率ω的輸運方程.為保證計算精度,采用高精度離散格式對各變量進行離散,二階迎風算法求解動量方程,其余保持默認設置.

2.2 模擬介質(zhì)

薄膜蒸發(fā)器作為一種高效蒸發(fā)設備,處理的流體多數(shù)為非牛頓流體且所適用黏度范圍廣.非牛頓流體的黏度μ是剪應變率S的非線性函數(shù).由于非牛頓流體中動量方程的閉合問題,有必要用數(shù)學模型描述流變行為.在本研究中,使用了兩種模型描述三種不同黏度的非牛頓假塑性流體料液:羧甲基纖維素鈉(carboxymethyl cellulose,CMC)溶液和聚酯溶液采用冪律模型[18-20],纖維素溶液采用Carreau 模型[21],相關參數(shù)如表1 所示.

表1 模擬介質(zhì)參數(shù)表Table 1.Physical properties of materials used for simulation.

冪律模型方程如下:

其中n為非牛頓指數(shù),kμ為稠度系數(shù).為避免求解方程時出現(xiàn)數(shù)學問題,模型設置了低剪應變率和高低剪應變率下的黏度極限μo和μ∞:

Carreau 模型在黏度曲線的過渡區(qū)表現(xiàn)更好,并直接引入了黏度的數(shù)值極限:

式中Γ為松弛時間.

2.3 模型驗證

為了驗證數(shù)值模型的準確性,采用文獻[6]的數(shù)據(jù)進行模擬,模擬介質(zhì)為牛頓流體,黏度為2.67 Pa·s.將仿真結果與文獻中得到的數(shù)值計算結果進行了對比驗證.圖3(a)展示了流場的一個截面圖.圖中顯示的是流體體積分數(shù)分布圖,紅色為1 代表液體,藍色為0 代表氣體,中間呈逐漸過渡色.圖3(b)是圖3(a)中黑色虛線框內(nèi)的細節(jié)展示.可以看到,物料在刮板前形成圈形波,在刮板和壁面間隙形成均勻液膜,平均膜厚統(tǒng)計數(shù)值(0.62 mm)在誤差允許范圍內(nèi).本文模型得到的流體的速度分布如圖3(d)所示,對比發(fā)現(xiàn)其與圖3(c)中Komori等[6]得到的速度分布趨勢基本一致.綜上所述,本文的模擬結果與之前的研究結果相吻合,初步證明本文的模型正確.

圖3 (a)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場截面圖;(b)液膜和圈形波局部顯示圖;(c) Komori 模型圈形波流體速度矢量圖[6] ;(d)仿真圈形波流體速度矢量圖Fig.3.(a) Flow distribution in ATFE (cross section);(b) film and fillet distribution in ATFE (cross section);(c) velocity vectors in the fillet (Komori model) [6];(d) velocity vectors in the fillet(simulation result).

3 結果分析與討論

3.1 流場分布

圖4(a)描繪了三種物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場分布情況.結果表明,當物料黏度較低時,薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場分布特性與前述低黏度牛頓流體類似.可以清楚地看到,由于旋轉刮板的作用,物料在刮板前緣形成圈形波并螺旋向下輸運,蒸發(fā)器內(nèi)壁面上形成了均勻連續(xù)的液膜.我們注意到,在進料階段,圈形波的尺寸并不是很規(guī)整,隨著軸向輸運的進行,圈形波趨于收斂成規(guī)則形狀.當零切黏度達到100 Pa·s 時,可以觀察到壁面上的液膜均勻性有所變差,壁面液膜出現(xiàn)了不平整和少許破裂.黏度更大時,壁面上出現(xiàn)不連續(xù)的帶狀液膜.比較圖4(b)三種物料的速度矢量圖可知,三者分布趨勢較為一致,均在圈形波內(nèi)形成旋渦.靠近薄膜處的圈形波內(nèi)流線與薄膜流體流線方向一致,此處的圈形波流體會被帶入到薄膜流體中發(fā)生混合.由此可推斷,圈形波內(nèi)流體與薄膜內(nèi)流體存在相互交換.但從圖中可以看到此處存在氣體擾動,一定程度會抑制兩者的物質(zhì)交換.此外,料液黏度影響圈形波尺寸和速度大小,對高黏度料液,圈形波尺寸增大,截面內(nèi)相對速度減小,圈形波流體與薄膜的物質(zhì)交換降低.

圖4 (a)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同黏度物料下流場分布圖;(b)不同黏度物料下流體速度矢量圖Fig.4.(a) Three-dimensional flow field distribution in ATFE for different feed materials;(b) velocity vectors in the fillet for different feed materials.

為了更清晰地分析流場分布特性,對流場數(shù)據(jù)做了進一步統(tǒng)計.由圖5(a)可知,隨著黏度的增加,壁面處液膜的厚度有所降低,方差隨之增大,這意味著液膜的均勻性變差了.圖5(b)統(tǒng)計了蒸發(fā)器內(nèi)物料滯留量等數(shù)值,滯留量是指正在操作的蒸發(fā)器中液體體積.結果表明,滯留量隨著黏度增大而增加,這與牛頓流體下的結論是類似的[6].分析可知,液膜厚度變化帶來的蒸發(fā)器內(nèi)流體體積的變化是極小的,滯留量的增加主要是圈形波體積增大造成的,可以看到圈形波的直徑隨物料黏度增加而大大增加了.薄膜區(qū)域是蒸發(fā)器內(nèi)流體傳質(zhì)傳熱進行的主要區(qū)域,液膜厚度和均勻性在很大程度上影響傳質(zhì)傳熱過程,圈形波流體占比過高和液膜均勻性的變差對于物料蒸發(fā)濃縮來說是相對不利的[6].

圖5 (a)不同黏度物料下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差統(tǒng)計圖;(b)不同黏度物料下蒸發(fā)器內(nèi)液體滯留量、液膜體積及圈形波直徑統(tǒng)計圖Fig.5.(a) Average film thickness and variance for different feed materials;(b) occupied volume、film volume and fillet diameter of the solution in the evaporator for different feed materials.

3.2 剪切場和黏度分布

剪應變率在轉子葉片的機械設計中起主要作用,通過薄膜蒸發(fā)器加工非牛頓流體時,必須進行剪應變率評估,以避免產(chǎn)品的質(zhì)量損失.本文利用Fluent 求解器研究了非牛頓流體在薄膜蒸發(fā)器中的剪應變率分布.

應變率張量Sij由下式給出[13]:

其中Ui和Uj是速度U的空間分量.這個張量有三個標量不變量,其中一個通常簡稱為剪應變率:

對于速度分量Ux,Uy,Uz,該方程變?yōu)?

模擬得到的剪應變率剖面如圖6(a)所示,紅色虛線框內(nèi)的剪應變率分布展示在圖6(b)中,并沿徑向方向提取了刮板與壁面之間的剪應變率值.結果與預測刮削幾何體中葉尖高剪應變率的結果相似[13,22,23].刮板的存在使得在刮板尖端和壁面間產(chǎn)生高剪切力.從圖6(b)中發(fā)現(xiàn),在靠近刮板尖端處存在著大于間隙其他處約5—10 倍的剪應變率.對比流場分布圖4(b)發(fā)現(xiàn),此處流體體積分數(shù)介于氣體和液體間,呈黃綠色顯示,判斷為氣液交界面,發(fā)生了較大的剪切.間隙內(nèi)其他部分的剪應變率沿半徑方向略有波動,該值可認為是間隙內(nèi)的平均剪應變率.研究發(fā)現(xiàn)三種物料下間隙內(nèi)平均剪應變率差別不大,因為在蒸發(fā)器中剪應變率主要是刮板轉動的線速度引起的.此外,在刮板的前緣,也就是形成圈形波的位置,剪應變率是比較小的.

圖6 (a)蒸發(fā)器內(nèi)剪應變率截面分布圖;(b)間隙內(nèi)剪應變率統(tǒng)計圖Fig.6.(a) Strain rate distribution in ATFE(cross section);(b) strain rate at the clearance between scraper and inner wall in ATFE.

假塑性流體有著較強的剪切依賴性,表觀黏度隨剪應變率的增大而降低.圖7 為流場的黏度分布情況,主要關注液膜和圈形波流體的黏度.首先,我們提取了刮板附近90°范圍內(nèi)液膜的黏度分布情況.圖7(b)是圖7(a)中提取的物料1 液膜黏度數(shù)值.在筒壁附近,由刮板產(chǎn)生的高剪應變率使得物料完全稀化,此時料液的表觀黏度已接近恒定值.非牛頓指數(shù)是衡量非牛頓流體剪切稀化能力的重要參數(shù)[18].非牛頓指數(shù)小,流體剪切稀化能力強,黏度隨剪應變率增大下降快.如圖7(c)所示,雖然三種物料之間的零切黏度相差較大,但在相同工況下都達到了較好的剪切稀化效果,稀化后黏度較為接近.這正是由于三者中零切黏度大的物料,所對應的非牛頓指數(shù)小,剪切稀化能力強所引起的.在這種情況下,刮板轉動的拖拽力減小,而物料主要受到刮板轉動的拖拽力作用和筒壁的黏附力作用,較小的拖拽力使得物料在壁面容易成膜.此外,對于剪切稀化流體,流體初始的高黏度狀態(tài)在剪應變率減小甚至停止剪切時會恢復.在本研究中表現(xiàn)為兩個刮板之間的位置的物料黏度有所恢復,如圖7(b)所示.這種恢復持續(xù)的時間是極短的,下一個刮板再次刮蹭時薄膜流體會再次稀化.從圖7(c)可知,零切黏度高的物料,液膜流體剪切稀化恢復后的黏度大.物料2 與物料1 在蒸發(fā)器壁面都形成了完整的液膜,但物料2 形成的液膜均勻性差一些,正是由于這個原因造成的.而物料3 與物料1,2 相比,未能形成完整連續(xù)的液膜,還與圈形波流體與壁面接觸進而稀化成膜的幾率有關,這點將在后文中討論.這就需要通過刮板及時的刮膜作用,如增加足夠的刮板列數(shù),使料液總體上保持稀化下的低黏度狀態(tài),從而保證液膜的均勻性.由此可見,刮板充當混合器和成膜裝置,起著形成和均布液膜的作用,體現(xiàn)了刮板薄膜蒸發(fā)器的優(yōu)越性.

物料在刮板前緣形成圈形波,此處的剪應變率值較小,相對應的流體黏度相對較高.如圖7(d)所示,隨著零切黏度的增大,圈形波流體的黏度也進一步增大,其軸向輸運速度大大降低了,物料進一步積聚成了尺寸更大的圈形波.我們提取了靠近壁面一側圈形波自由面的形貌圖,展示在圖8(a)中.不難發(fā)現(xiàn),隨著黏度的增加,圈形波尺寸增大,截面內(nèi)相對速度減小,表面還出現(xiàn)了明顯凹凸不平的現(xiàn)象.從圖8(b)中可知,圈形波表面的凸出部分流體在離心力的作用下更容易接觸到壁面進而發(fā)生稀化,被刮成厚薄和寬度不一的絲帶狀液膜.隨著時間的積累,絲帶狀膜逐漸變寬變厚,可被刮板進一步刮展成膜,在壁面上逐步形成均勻性和連續(xù)性較差的液膜分布,如圖8(c)所示.而對于低黏流體,圈形波的形狀較為規(guī)整且尺寸不大,在離心力作用下比較容易與壁面均勻接觸形成連續(xù)均勻的薄膜.綜上所述,蒸發(fā)器內(nèi)部結構與運行狀態(tài)形成的剪切場與黏度分布是蒸發(fā)器內(nèi)非牛頓型物料良好成膜的關鍵.

圖7 (a)蒸發(fā)器內(nèi)物料1 表觀黏度截面分布圖;(b)蒸發(fā)器內(nèi)物料1 液膜流體表觀黏度統(tǒng)計圖;(c)不同物料下液膜黏度統(tǒng)計圖;(d)不同物料下圈形波流體黏度和軸向平均速度統(tǒng)計圖Fig.7.(a) Distribution filed of apparent viscosity in ATFE (cross section) (feed material one);(b) apparent viscosity of film (feed material one);(c) apparent viscosity of film for different feed materials;(d) apparent viscosity and axial velocity of film for different feed materials.

圖8 (a) 物料1,3 圈形波自由面局部顯示圖;(b) 刮板刮膜示意圖;(c) 蒸發(fā)器內(nèi)物料3 下流場演變過程圖Fig.8.(a) Detail distribution of fillet free surface (feed material one and three);(b) scraping diagram;(c) flow field evolution process diagram(feed material three).

3.3 刮板彎折角度的影響

前述研究中我們提到,當黏度較高時,圈形波的尺寸較大,需要更大的離心力迫使其刮向壁面,增加與壁面接觸進而稀化成膜的幾率.在保證產(chǎn)能的情況下,我們可以通過增大轉速來實現(xiàn)離心力的提升.針對物料3,我們開展了相關研究,結果如圖9(a)所示.當轉速低于90 r/min 時,產(chǎn)生的剪應變率不足以使近壁面位置流體完全稀化,且提供的離心力偏小,形成的液膜均勻性過差;當轉速達到90 r/min 及以上時,近壁面位置流體由于已經(jīng)達到第二牛頓區(qū),剪切稀化作用受影響較小,離心力的增加使得膜厚的方差有所減小,液膜均勻性逐漸變好;當轉速達到130 r/min 以上時,液膜的厚度和均勻性變化不大.但轉速的增加隨之帶來的是功率的增大,如圖9(b)所示,單純依靠轉速提高成膜特性的方法使得扭矩增加了近一倍,同時會給薄膜蒸發(fā)器這類大型設備帶來振動等系列問題.因此,在工程上優(yōu)先考慮改進機械結構實現(xiàn)優(yōu)化設計.

圖9 (a)物料3 下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差隨轉速變化統(tǒng)計圖;(b)物料3 下轉子扭矩隨轉速變化統(tǒng)計圖Fig.9.(a) Average film thickness and variance for different rotation speed (feed material three);(b) the torque for different rotation speed (feed material three).

楔形潤滑是工業(yè)中解決軸承摩擦問題的一種典型應用[24],楔形結構會使介于固體界面間的流體膜內(nèi)產(chǎn)生壓力.本文考慮將刮板前緣做一彎折改進,如圖10(a)所示,彎折角度為Φ,以形成楔形結構.仿真結果如圖10(b)所示,結果表明,隨著彎折角度的增大,液膜的厚度有所增加,均勻性和連續(xù)性逐漸變好,當彎折角度達到30°后,壁面已經(jīng)形成較為完整的液膜.

圖10 (a)刮板彎折示意圖;(b)物料3 下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計圖Fig.10.(a) Scheme of scraper angle;(b) average film thickness and variance for different scraper angle (feed material three).

提取了刮板前緣圈形波流體截面的平均壓力值和蒸發(fā)器轉子的扭矩值.如圖11(a)所示,隨著彎折角度的增加,壓力值在不斷增大,這給圈形波流體提供了除離心力外的另一作用力,從而迫使流體更好地被擠入刮板間隙實現(xiàn)刮膜.壓力的增大,意味著轉子所受的阻力也在增大,從而使得扭矩進一步增大.當彎折角度超過30°后,雖然液膜的均勻性幾乎不變,但轉子扭矩卻在進一步提升.這一結果表明對于特定的工況,刮板存在著最佳彎折角度.為了進一步探究該最佳彎折角度與轉速的依賴性,研究了不同轉速下的最佳彎折角度,詳細結果呈現(xiàn)在附錄A 中.當轉速為90—110 r/min 時,刮板的最佳彎折角度為30°;當轉速達到120 r/min時,最佳彎折角度為15°.圖11(b)描述了不同轉速和最佳彎折角度組合下轉子的扭矩數(shù)值.結果表明,當彎折角度為30°時,轉子扭矩隨著轉速的增加不斷增大.但同時從圖11(c)中可以發(fā)現(xiàn),轉速增加使得蒸發(fā)器內(nèi)液膜體積占比有所提升,這對于物料加工相對來說是相對有利的[6].當轉速達到120 r/min 及以上時,雖然所需的彎折角度更小,但扭矩卻大于30°彎折角度的情況.在實際生產(chǎn)中,應結合生產(chǎn)實際要求和能耗問題綜合選擇.此外,美國SMS 公司最新設計的“Filmtruder”轉子蒸發(fā)器[25],在刮板前部做了彎折處理后,可處理高達15000 Pa·s 的非牛頓型物料,并且能夠得到更加均勻的液膜,但是用于處理高黏物料時極易產(chǎn)生圈形波.這一現(xiàn)象與我們的仿真結果是相吻合的.

圖11 (a)物料3 下物料所受壓力及轉子扭矩隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計圖;(b)物料3 下轉子扭矩隨轉速和最佳彎折角度變化統(tǒng)計圖;(c)物料3 下液膜體積占比隨轉速和最佳彎折角度變化統(tǒng)計圖;(d)物料3 下蒸發(fā)器內(nèi)液體滯留量及圈形波流體占比隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計圖Fig.11.For feed material three:(a) Pressure and torque for different scraper angle;(b) the torque with different rotation speed and optimal scraper angle;(c) film volume of the solution in the evaporator with different rotation speed and optimal scraper angle;(d) occupied volume and fillet volume of the solution in the evaporator for different scraper angle.

同時,從圖11(d)中我們發(fā)現(xiàn),隨著彎折角度的增大,蒸發(fā)器內(nèi)液體滯留量和圈形波流體的占比不斷提升.包括前述提到的隨著黏度的提升也會造成圈形波流體占比增加的現(xiàn)象,這些對于物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的加工是不利的[6],需要及時地破壞圈形波.在關于牛頓流體下的研究[7,8,26]中也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象,人們通過設計刮板打斷、交錯組合等手段來改善這一問題.關于非牛頓流體下的此類問題還有待探索,可通過流場仿真手段進一步研究,進而輔助蒸發(fā)器設計和結構及工藝參數(shù)的優(yōu)化.

4 結論

本文基于Fluent 軟件,建立了蒸發(fā)器三維計算流體動力學模型,選取三種不同黏度的非牛頓流體進行了仿真,獲得了非牛頓流體在蒸發(fā)器內(nèi)的流場分布特性,并進一步分析探討了液膜形成機理,為刮膜蒸發(fā)器的設計和應用提供了理論指導與依據(jù).

1) 低黏非牛頓流體的流場分布特性和牛頓流體類似,流體可在壁面形成均勻且連續(xù)的液膜;隨著黏度的增加,液膜的均勻性和連續(xù)性逐漸變差.

2) 蒸發(fā)器內(nèi)部結構與運行狀態(tài)形成的剪切場與黏度分布是蒸發(fā)器內(nèi)非牛頓流體良好成膜的關鍵.流體在刮板前緣形成圈形波實現(xiàn)軸向傳輸,在刮板與壁面間隙內(nèi)受高剪應變率作用發(fā)生稀化進而被刮成薄膜.低黏度流體可較好實現(xiàn)圈形波與縫隙內(nèi)液膜之間的物質(zhì)交換;而隨著流體黏度的增加,圈形波內(nèi)流體黏度增大,其軸向傳輸速度降低,物料進一步積聚,此時圈形波流體截面相對速度減小,表面出現(xiàn)凸凹不平現(xiàn)象,從而降低了其與壁面接觸進而稀化成膜的幾率.同時,高黏度流體稀化后恢復黏度較高,需要持續(xù)并及時進行稀化以保證成膜的均勻性與完整性.

3) 刮板前緣進行彎折可輔助高黏流體液膜鋪展,有效提升液膜均勻性與連續(xù)性.在一定的轉速范圍內(nèi),當彎折角度達到一定值后,液膜均勻性變化較小,但轉子扭矩卻在進一步提升,故存在著最佳彎折角度.

附錄A

圖A1 不同轉速下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差、轉子扭矩隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計圖 (a),(b) 90 r/min;(c),(d) 100 r/min;(e),(f) 110 r/min;(g),(h) 120 r/minFig.A1.Average film thickness and variance with different scraper angle for different rotation speed:(a),(b) 90 r/min;(c),(d) 100 r/min;(e),(f) 110 r/min;(g),(h) 120 r/min.