寬度比對復合螺旋高效靜態(tài)混合器混合效果的影響

摘 """""要：設計出一種新型復合螺旋高效靜態(tài)混合器，應用Fluent軟件在低雷諾數下對靜態(tài)混合器兩相流的混合濃度場進行數值模擬，探究其混合機理，并探討了不同寬度比對該靜態(tài)混合器混合性能的影響。結果表明：當寬度比增大，兩相流體混合速度隨之增大，寬度比為1時，流體流經4個混合元件后，分離強度值降為0.017"2，濃度分布最均勻，混合效果最佳。

關 "鍵 "詞：靜態(tài)混合器；"分離強度；"數值模擬；"混合效果

中圖分類號：TQ027.3+5 """"""文獻標識志碼：A """"""文章編號：1004-0935（20202024）0×12-1972-0×4

靜態(tài)混合器（motionless mixer）是一種流體混合裝置，與傳統(tǒng)的攪拌器不同，它不需要運動的機械部件。靜態(tài)混合器的核心元件為混合元件，混合元件一般由一定規(guī)則排列的單元組成，混合元件通過改變流體的方向以及使流體受到剪切力、扭轉力等來實現(xiàn)兩相流體或多相流體的充分混合。

靜態(tài)混合器應用廣泛，可以完成多種工藝，使流體混合更加均勻^[1-2]。張春梅等^[3-6]首先運用流體力學知識推導出了流動阻力的計算式，再結合SK型靜態(tài)混合器中流動情況，建立了一種能計算SK型靜態(tài)混合器中流動阻力的全新計算模型。然后，以水為工質對該模型進行了驗證，最后得出了流動摩擦系數和雷諾數之間的關系式。姬宜朋^[7]在前人研究Kenics靜態(tài)混合器的基礎上，成功研制了一種內部的混合元件可以隨時改變速度的新型靜態(tài)混合器，并通過實驗驗證了模擬研究得出的數據。

1 "物理模型及研究方法

1.1 "復合螺旋高效靜態(tài)混合器幾何結構

本文研究的復合螺旋高效靜態(tài)混合器組成元件為一1根主管、一1根支管及四4個混合元件，如圖1所示。

在混合器內布置混合元件從兩相入口方向開始按順序排列為第1、2、3、4元件，該混合元件由SK型混合元件與扭旋片同心組合，扭旋片長度為H，扭旋角為α，長度比為H/d，寬度比為2L/d，靜態(tài)混合器的幾何尺寸如表1所示，靜態(tài)混合器元件的幾何模型如圖2所示。

1.2 "模擬方案

本研究中設計的物理模型采用Solidworks建立，數值模擬主要通過Fluent軟件進行。模擬為兩相流，主相為H₂O（ρ=998.2"kg·m^-3，μ=1.003×10^-3"Pa··s），次相為H₂SO₄（ρ=1"836"kg·m^-3，μ=1.018×10^-2"Pa·s）。模擬時忽略重力影響，2種流體均視為不可壓縮、連續(xù)的流體。Mixture混合模型應用在多相流模型中，采用勻速入口和自由出口，壓力和速度耦合選用SIMPLE算法^[8-9]。

靜態(tài)混合器中流體流動狀態(tài)以主相入口的雷諾數Re為依據，主相的入口速度可由雷諾數計算公式（1）推得。

（1）（1）

式中：ρ—流體密度，kg·m^-3；

u—入口流體速度，m·s^-1；

d—入口內徑，mm；

μ—流體動力黏度，Pa·s。

1.3 "網格無關性檢驗

網格數目的多少會對仿真模擬實驗結果的精確度產生影響，數目越多表示計算精度越高，但網格數目過大時，會影響計算效率，為此需要在保證網格質量的前提下，選取一個合適的網格數量進行模擬。

局部區(qū)域內濃度與流體實際濃度之間偏差的平均值稱為分離強度，公式表達式如下：

（2）

式中：X_i—靜態(tài)混合器中第i種組分在不同位置的體積分數值；

—某一組分在某截面的n個點的體積分數的平均值。

在Re=1"200、α=150°條件下，分析了混合單元的流體分離強度隨網格密度的變化，結果如圖3所示。由圖3可以看出，在網格總量達到3"417"653后，分離強度的變化開始平緩，并且變化范圍不超過5%，說明此時的網格數量不會再對模擬結果產生影響。因此，選擇使用3"417"653個網格進行模擬計算。

2 "混合性能

在主相入口雷諾數Re=1"200的條件下，對2L/d混合器的濃度場分別為0.25、0.5、0.75、1情況進行了數值模擬。

2.1 "軸向濃度分布

寬度比-混合器軸向截面的H₂SO₄體積分數分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，兩相流體剛剛進入混合器管內時，只會在兩相流體交界處有極少部分的混合，有明顯的分界線。通過4個混合元件的扭轉作用，液體在一定程度上沿著螺旋方向流動，2種流體基本已經達到了均勻混合狀態(tài)。綜上所述，可以得到增加寬度比對提高靜態(tài)混合器的混合性能作用明顯，寬度比為1時，混合效果更好。

2.2 "徑向濃度分布

對不同葉片寬度比的混合器進行數值模擬，并繪制了各元件的首尾徑向H₂SO₄體積分數的分布云圖，如圖5所示。

由圖5可得，在兩相流體入口時，兩者基本處于完全分離狀態(tài)，僅有流體交界處有一點混合，當流體進入第一個元件后，兩相流體開始進行初步混合，可以看到混合速度明顯加快；當流體進入第二個混合元件時可以看出，不同寬度比對混合性能影響確實顯著，其中明顯可以看到寬度比為1的第二組混合效果要好于其他3組；當流體到達第三個元件時可以看到，寬度比較小和較大的組均未實現(xiàn)基本均勻混合，仍有一部分是單相流體存在狀態(tài)；當流體流經第四個元件時各組已經達到基本均勻混合狀態(tài)。從整體分析來看，寬度比對混合器混合性能影響顯著，研究中最佳的寬度比為1。

2.3 "混合特性定量分析

上文通過軸向濃度云圖和徑向濃度云圖分析了不同寬度比對靜態(tài)混合器的混合效果影響，已得到一致的結果，為了增加結論的客觀性，進一步定量分析靜態(tài)混合器的混合效果，繼續(xù)選擇分離強度來分析流體的混合均勻程度，結果如圖6所示。

由圖6可知，當流體經過第一個混合元件時，寬度比為1的第二組分離強度相對于其他3組下降很快，其他3組雖也呈現(xiàn)快速下降趨勢，但與2L/D=1相比稍差一些。在2L/D=0.75的混合器中流經3個混合元件后，分離強度為0.057"7，而2L/D=1的混合器在流經前2個混合元件后即可達到與之接近的分離強度值。2L/D=0.75的混合器與2L/D=1的混合器相比較，在流經第二個混合元件時分離強度前者大于后者，即2L/D=1的混合器混合性能更好，流經第二個混合元件后兩者混合性能相近。因此，在其他參數相同的情況下，寬度比由0.25到1.0的過程中，分離強度逐漸減小，即混合效果越來越好。

為了進一步分析每個混合元件對整個靜態(tài)混合器在混合過程中的貢獻程度引入貢獻率^[10]。貢獻率的計算公式為：

（3）

式中：Q_N—第N個扭旋元件的貢獻率；

""""""I_iN—第N個扭旋元件入口的分離強度；

I_oN—第N個扭旋元件出口的分離強度；

?I—整個混合單元的首尾兩端分離強度的差值；

N—扭旋元件序號，N=1、2、3、4。

通過貢獻率公式的計算結果，可以得出4個混合元件對整體混合效果的貢獻率分別為55%、24%、10%、11%。進入混合器后，兩相流體在第一個扭旋元件的作用下，混合均勻程度大幅提高，分離強度顯著降低。第二個扭旋元件的貢獻率明顯低于第一個扭旋元件，但仍然對混合效果有明顯影響。當流體經過第三個扭旋元件時，貢獻率僅為10%，此時分離強度的變化趨緩，扭旋元件的性能提升效果不再明顯。經過第四個扭旋元件時，混合狀態(tài)基本保持均勻，因此第四個扭旋元件的貢獻率11%，對混合性能的進一步提升作用有限。因此，設計的新型靜態(tài)混合器主要通過增強前3個扭旋元件的性能來提高混合效果。通過軸向和徑向濃度分布、分離強度以及貢獻率的分析，可以得出提高寬度比對提高混合性能效果顯著。

4 "3""結 論

討論了在不同寬度比對新型復合螺旋高效靜態(tài)混合器的影響規(guī)律，在低雷諾數時隨寬度比增大，兩相流體混合速度隨之增大，寬度比為1時，流體流經4個混合元件后，分離強度值降為0.017"2，濃度分布最均勻，即混合效果最佳。因此，適當提高寬度比參數有利于提高該靜態(tài)混合器的混合性能。

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Influence of Width Ratio on Mixing Effect of Compound

Spiral High Efficiency Static Mixer

YE"Hanyu， ZHANG Chunmei， TIAN He， LI Xingyu

（Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract："A novel compound spiral high efficiency static mixer was designed， and the mixing concentration field of the two-phase flow of the static mixer was numerically simulated by Fluent software at low Reynolds number， and the mixing mechanism was explored， and the effects of different width ratios on the mixing performance of the static mixer were discussed. The results showed"that when the width ratio increased， the mixing speed of the two-phase fluid increased. When the width ratio was"1， the separation strength value decreased"to 0.017 2 after the fluid flowed"through the four mixing components， and the concentration distribution was"the most uniform， and the mixing effect was the best.

Key words："Static mixer; Separation strength; Numerical simulation; Mixing effect