SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)與兩相流分析

吳 青， 郝麗燕， 任京生

(1．北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048;2．首鋼工學(xué)院，北京 100144)

SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)與兩相流分析

吳 青1， 郝麗燕2， 任京生2

(1．北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048;2．首鋼工學(xué)院，北京 100144)

提出了一種SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以描述，并對(duì)其中兩相流的流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行分析．考慮實(shí)際裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)上嗔髁鲃?dòng)狀態(tài)下參數(shù)之間的相互關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行理論研究．兩相流通過(guò)改進(jìn)的靜態(tài)混合單元受到撞擊、形成分離、繞流以及融合，持續(xù)加強(qiáng)混合效果．通過(guò)對(duì)真實(shí)湍流流態(tài)所做的解析，可為進(jìn)一步完善SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的選擇及優(yōu)化提供依據(jù)．

靜態(tài)混合器;單元結(jié)構(gòu)改進(jìn);兩相流分析

靜態(tài)混合器是先進(jìn)的混合單元裝置．因其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、安裝維護(hù)方便，特別是不需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，在兩相流的混合與吸收操作中可以替代傳統(tǒng)的動(dòng)力攪拌混合設(shè)備．其中SL型靜態(tài)混合器特別適宜食品行業(yè)的油脂加工，可用于處理黏度≤104P或伴有高聚合物介質(zhì)的混合并同時(shí)進(jìn)行傳熱、混合與傳熱反應(yīng)的熱交換器，加熱或冷卻黏性產(chǎn)品等單元操作．

傳統(tǒng)的SL型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，與其它類(lèi)型的靜態(tài)混合器相比，兩相流的流動(dòng)能量損失?。捎谄鋯卧Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的葉片少、葉片間隔較大，因此混合效果會(huì)有所降低，需通過(guò)增加單元數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)．為解決此問(wèn)題，縮短混合器的長(zhǎng)度，提高兩相流的混合效率，作者對(duì)傳統(tǒng)的SL型靜態(tài)混合器的單元結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)．同時(shí)對(duì)工作時(shí)通道內(nèi)部的湍流混合狀態(tài)進(jìn)行分析，以便能夠進(jìn)一步確定和改進(jìn)靜態(tài)混合單元組件、通道形狀以及相關(guān)結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的．

1 SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)狀態(tài)

1.1 SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

改進(jìn)后的SL型靜態(tài)混合器是由多組改進(jìn)的靜態(tài)混合單元構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，其單元內(nèi)部為幾層相互直立交叉的薄不銹鋼寬橫條葉片按X型規(guī)律排列疊摞焊接在一起填充在外管內(nèi)．同層橫條相互隔開(kāi)相同距離且平行，橫條排列方向與管殼軸線(xiàn)呈45°，相鄰兩層橫條互呈90°．而在上下橫條之間焊有一根直不銹鋼圓棒(見(jiàn)圖2)．

圖1 SL改進(jìn)型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意Fig．1 Structure of improved SL type static mixer

1.2 靜態(tài)混合器流道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)

兩相流沿軸向流進(jìn)靜態(tài)混合單元后，按單元結(jié)構(gòu)分為兩股流．對(duì)于同一層的液流，其中一股主流轉(zhuǎn)過(guò)45°進(jìn)入葉片之間的通道形成無(wú)阻礙順流;另一股反方向拐45°，受到葉片阻擋，只能繞過(guò)葉片形成垂直平板繞流．兩葉片間隙之后的通道上下空間突然擴(kuò)大，順流液通過(guò)后與相鄰液流形成垂直撞擊混合，隨后經(jīng)過(guò)的間隙通道又縮小．繞流液在繞葉片時(shí)通道縮小，與相鄰液流形成垂直沖擊，隨后流道再擴(kuò)大，成為波浪流．不論是順流還是繞流，在沿同方向通道至外管壁時(shí)受到阻擋，又撞擊轉(zhuǎn)向．由于靜態(tài)混合單元特殊的縱橫交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，使得兩相流在流道中時(shí)而左旋時(shí)而右旋，不斷改變流動(dòng)方向，不僅將中心液流沖向周邊，而且將周邊的流體推向中心，這種沿不同方向的撞擊、攪動(dòng)，形成強(qiáng)烈的旋流徑向混合．兩相流進(jìn)入下一混合單元時(shí)，方向突變，在空間轉(zhuǎn)一角度進(jìn)入通道．其自身的旋轉(zhuǎn)作用在相鄰元件的連接處界面上亦會(huì)發(fā)生．經(jīng)過(guò)多組靜態(tài)混合單元，兩相流流出時(shí)實(shí)現(xiàn)了均勻混合．這種完善的徑向環(huán)流混合作用，使兩相流在管內(nèi)截面上的溫度梯度、速度梯度和質(zhì)量梯度明顯減小．

圖2 SL改進(jìn)型靜態(tài)混合單元組件結(jié)構(gòu)Fig．2 Structure of improved SL type static mixing unit

2 靜態(tài)混合器中兩相流流態(tài)分析

SL型靜態(tài)混合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)中兩相流是復(fù)雜的三維湍流混合流態(tài)．為便于建模分析，在理論研究中要做一些必要簡(jiǎn)化．可考慮將兩相液流分解為不同方向的順流與在空間連續(xù)擴(kuò)大又縮小的旋流．

2.1 兩相流在靜態(tài)混合單元流道內(nèi)的流動(dòng)分析

建立直角坐標(biāo)系，在各部分結(jié)構(gòu)分析中，分別以各自的相對(duì)坐標(biāo)系，采用不同下標(biāo)數(shù)字表示．

考慮兩相流在通道內(nèi)的空間湍流狀態(tài)，用Navier-Stokes方程表示為:

2.2 兩相流在靜態(tài)混合單元的順流分析

兩相流體沿外管軸線(xiàn)進(jìn)入靜態(tài)混合單元后，沖到傾斜45°的葉片表面便分成順流與繞流兩股．假定兩相流在葉片表面一定距離之外的速度分布是均勻的．取兩相流進(jìn)出口及壁面為系統(tǒng)，以通道中線(xiàn)與橫條片表面相交處建直角坐標(biāo)系(x2、y2、z2)，x2軸垂直于葉片表面，y2軸平行葉片表面，外管軸線(xiàn)與x2軸夾角為α．其動(dòng)量運(yùn)輸量可表示為

式(2)中，u1為兩相流進(jìn)入速度;u2為兩相流順流出口速度;u3為兩相流逆流終止處速度;A為過(guò)流面積．

式(2)中1，2為兩相流入口位置;3，4為兩相流順流出口位置;5，6為兩相流逆流終止位置;2，3與6，1 為壁面．

2.3 兩相流在靜態(tài)混合單元的繞流分析

兩相流在通過(guò)兩條葉片間隙后，流通面積突然擴(kuò)大，隨后到達(dá)下一葉片，間隙又減小;而在繞過(guò)葉片時(shí)，流通面積減小，隨后又?jǐn)U大，這都造成兩相流各流束之間的相互撞擊并形成旋渦．同時(shí)在經(jīng)過(guò)葉片間隙的不銹鋼直圓條時(shí)，形成圓柱繞流．

2.3.1 兩相流繞葉片的流態(tài)

兩相流繞葉片的z向流態(tài)可用復(fù)勢(shì)W(z)［1］表示為

公(3)式中的實(shí)部為速度勢(shì)Φ，虛部為流函數(shù)Ψ，θ為流線(xiàn)與流道方向的夾角．

液流繞過(guò)葉片邊角的流型以?xún)绾瘮?shù)形式表示為

速度場(chǎng)表示為

兩相流以一定角度撞擊并繞過(guò)葉片，則n=1/2，對(duì)當(dāng)量半徑r有

因兩相流繞葉片2π角流動(dòng)，將其代入得

2.3.2 兩相流通過(guò)擴(kuò)大流道的流態(tài)

1)流道突然擴(kuò)大，兩相流中心流線(xiàn)沿流道軸向流動(dòng)，其它流線(xiàn)則轉(zhuǎn)向，最外層流線(xiàn)幾乎沿垂直方向流動(dòng)．建立相對(duì)直角坐標(biāo)系，中心軸為x1軸，y1軸沿徑向．假定x1正向特征長(zhǎng)度為x'1，中心流平均速度為ux，中心流脈動(dòng)速度為u'x，y1正向特征長(zhǎng)度為y'1，中心流平均速度為 υy，中心流脈動(dòng)速度為 υ'y，而，連續(xù)性方程表示為

對(duì)于雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程在y1方向的分量為

2)形成兩相流附面層，隨后又分離．其附面層方程變換后，附面層動(dòng)量厚度δ為

式(9)中，l為附面層當(dāng)量長(zhǎng)度;u0為平均流速;y1c為變流區(qū)坐標(biāo);c1、c2、n均通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定．

對(duì)于附面層脫離有

式(10)中，B為速度分布形狀系數(shù)．

2.3.3 兩相流通過(guò)縮小流道的流態(tài)

到達(dá)兩條葉片間隙后，流通面積突然減小，忽略間隙周?chē)臻g液流對(duì)兩相流的影響，其速度分布方程為

式(11)中，L為流道x向長(zhǎng)度;b為流道y向長(zhǎng)度．

2.3.4 兩相流的圓柱繞流

對(duì)于遠(yuǎn)離邊界的兩相流在繞不銹鋼圓柱時(shí)是做平面流動(dòng)，可利用經(jīng)過(guò)變換后的冪級(jí)數(shù)表示．其勢(shì)流流速方程［2］為

式(12)中，rs為不銹鋼圓條直徑．

2.3.5 兩相流在流道終點(diǎn)的流態(tài)［3］

1)兩相流沿流道至管壁處即轉(zhuǎn)向成為反向渦流，其當(dāng)量半徑為r0、角速度為ω1．

當(dāng) r≤r0，流場(chǎng)為 uθ=rω．

當(dāng) r＞r0，周?chē)黧w被帶動(dòng)，流速場(chǎng)為

2)兩相流以45°撞擊在內(nèi)管壁，產(chǎn)生分離并改變流動(dòng)方向，其位勢(shì)流動(dòng)速度分布為

式(13)中，U為x1方向速度分量;V為y1方向速度分量;a為常數(shù)．

2.3.6 兩相流的二次流旋渦

兩相流在靜態(tài)混合單元流道繞流的葉片和不銹鋼圓柱背面形成背面渦流，而在流道終點(diǎn)拐角處形成橫向二次流旋渦，流向均與主流旋轉(zhuǎn)方向相反．其流態(tài)可用渦量方程表示為:

3 結(jié)論

1)改進(jìn)后的SL靜態(tài)混合器既保留了傳統(tǒng)SL型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造使用成本低、安裝維護(hù)方便、兩相流的流動(dòng)能量損失小等優(yōu)點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)SL型靜態(tài)混合器單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部葉片少、葉片間隔較大、混合效果降低的缺點(diǎn)，可以提高單元操作中兩相流的混合效率．

2)對(duì)改進(jìn)后的靜態(tài)混合單元葉片內(nèi)兩相流的流動(dòng)進(jìn)行初步分析．由于混合器單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，兩相流的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，因此不同部位要建立不同的模型．下一步是在理論分析基礎(chǔ)上采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)求得數(shù)值解，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定和驗(yàn)證．

3)通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的靜態(tài)混合器通道內(nèi)部的湍流混合狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，綜合各影響因素，運(yùn)用正確的數(shù)學(xué)分析方法和計(jì)算機(jī)工具，可以為單元組件、通道形狀以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇及特性?xún)?yōu)化提供必要的參考依據(jù)．

［1］林建忠．流體力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005:200-203．

［2］章梓雄，董曾南．粘性流體力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1998:167．

［3］Wu Qing．Study of gas-liquid two-phase flow in SV type static mixer［C］∥International Symposium on Fluid Machinery and Fluid Engineering．Beijing:1996，9:510-517．

［4］陳懋章．粘性流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［5］張兆順，崔桂香．流體力學(xué)［M］．2版．北京:清華大學(xué)出版社，2006．

［6］黃衛(wèi)星，李建明，肖澤儀．工程流體力學(xué)［M］．2版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:226-228．

［7］陳卓如．工程流體力學(xué)［M］．2版．北京:高等教育出版社，2004:192-194．

［8］張春梅，吳劍華，王宗勇．SV型靜態(tài)混合器湍流阻力的初步研究［J］．化學(xué)工程，2009，37(1):19-23．

(責(zé)任編輯:檀彩蓮)

Improved Structure and Two-phase Flow Analysis for SL Type Static Mixer

WU Qing1， HAO Li-yan2， REN Jing-sheng2
(1．School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;2．Shougang Institute of Technology，Beijing 100144，China)

An improved structure of SL type static mixer was presented in this paper．The internal structure was described and two-phase flow field was analyzed．The comprehensive influencing factors were considered during analyzing the relationship of two-phase flowage parameters in practical device，and the theoretical study was carried out．The two-phase flow was impinged，separated，flowed around and merged by the two-phase flow．The mixture effect was strengthened．The analytic calculation was carried out according to the practicable turbulent flow pattern．The results are useful for the structure parameters effectively selection and the characteristic optimization for the improved structure of SL type static mixer．

static mixer，improved unit structure，two-phase flow analysis

TS223

A

1671-1513(2012)01-0062-04

2011-09-28

吳 青，男，副教授，主要從事流體工程、食品機(jī)械等方面的研究．