基于Fluent的多流道螺旋靜態(tài)混合器數(shù)值分析

徐鵬博

摘 要：多流道螺旋靜態(tài)混合器（簡稱SD型靜態(tài)混合器）是在SK型靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上新開發(fā)的一種靜態(tài)混合器。該混合器可以實(shí)現(xiàn)流體在多個(gè)（3個(gè)及以上）通道內(nèi)同步螺旋流動(dòng)，提高湍動(dòng)混合程度。文章利用流體力學(xué)軟件FLUENT 5/6，采用Realize k-ε模型對SD型靜態(tài)混合器在不同雷諾數(shù)以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的流動(dòng)阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬。

關(guān)鍵詞：FDD-LTE；TDD-LTE；SD型混合器；長寬比；扭轉(zhuǎn)角；流動(dòng)阻力；雷諾數(shù)

中圖分類號：TQ051.71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0006-02

1 概 述

流體混合可能是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一種現(xiàn)象。目前，工程上促使物料混合的基本方法有：機(jī)械攪拌、射流混合、靜態(tài)混合。靜態(tài)混合器（STATIC MIXER）借助流體管路的不同結(jié)構(gòu)，得以在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行流體的混合，而又沒有機(jī)械式可動(dòng)部件的流體管路結(jié)構(gòu)體。作為一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，靜態(tài)混合器得到了廣泛的應(yīng)用。

靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)和研究大多還只是停留在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，隨著流體力學(xué)的發(fā)展，靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬漸趨成熟。尹紅霞用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器的三維流場情況與液-液兩相流混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬；Bakker和Laroche用Fluent軟件求解了HEV螺旋形靜態(tài)混合器；朱錫峰用Phoenics軟件對自行研制的靜態(tài)混合器進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文采用數(shù)值模擬的方法求解出在管內(nèi)徑一定情況下，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（不同長寬比、不同螺旋角下）的混合器在不同雷諾數(shù)時(shí)（不同流量）的流體阻力特性研究，從而為工業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 網(wǎng)格劃分

為了獲取較詳細(xì)的流場信息，本文擬研究在恒管徑（φ76×4 mm）和恒管長（1 000 mm）時(shí)不同長寬比（不同單元數(shù)）下，5葉片螺旋角為180 °的混合器部分流場特性?；旌掀髦性昂蟾髁粲?40 mm的空管段，這樣元件長寬比4：1（6單元），3：1（8單元），2：1（12單元）時(shí)均保證元件的總長為720 mm不變。

本文試圖嘗試在盡量滿足模擬結(jié)果精度要求的情況下，所獲取的模擬時(shí)間盡量的短。在用GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，本文選用不同的節(jié)點(diǎn)間距生成網(wǎng)格，然后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行模擬（模擬前檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好且無負(fù)體積）。3葉片長寬比4：1時(shí)相鄰節(jié)點(diǎn)間距為2時(shí)部分元件的網(wǎng)格圖，如圖1所示。

經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Realize k-ε模型從收斂精度和穩(wěn)定性等方面均較好的滿足了模擬要求。為此，本文采用Realize k-ε模型進(jìn)行后續(xù)模擬。

3 流體阻力特性研究

靜態(tài)混合器的流動(dòng)阻力是評價(jià)其性能的一個(gè)重要指標(biāo)[4]，流動(dòng)阻力的大小主要取決于流速、介質(zhì)粘度以及流道的長度和復(fù)雜程度。本文將從流體參數(shù)、長寬比、扭轉(zhuǎn)角、混合單元數(shù)、葉片數(shù)量諸方面研究他們對流體阻力的影響，從而探尋結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體阻力的影響規(guī)律。

本文嘗試在取幾個(gè)適中雷諾數(shù)時(shí)（研究表明SK在Re為400即達(dá)到湍流狀態(tài)）同時(shí)采用層流和湍流模型計(jì)算。由于多流道旋流片的加入使混合管壓力降大大增加，流速越小影響程度反而越大。在本混合器正常工作的流速范圍內(nèi)其壓力降為光滑空管壓降的10倍左右，該壓力降參數(shù)可以作為初步估算本靜態(tài)混合器壓力降的依據(jù)。

在混合元件總長一致的情況下，本文模擬了長寬比分別為2：1、3：1和4：1的3流道螺旋靜態(tài)混合器壓力降隨雷諾數(shù)的分布情況，如圖2（a）所示。

通過比較發(fā)現(xiàn)，在任意雷諾數(shù)（流量）下，混合器總壓降均隨著螺旋葉片長寬比的減小而增大，兩者之間成一定的反比關(guān)系。為了分析扭轉(zhuǎn)角對流動(dòng)阻力的影響，本文從90 °角時(shí)開始，每隔30 °做一組模擬，直至270 °，文中特意添加了360°角的一組模擬，如圖2（b）所示。

研究發(fā)現(xiàn)螺旋角與壓力降成一定的比例關(guān)系。相同雷諾數(shù)下，90 °角（螺旋角最小）時(shí)混合器的壓降為最小，然后隨著角度增加，壓降也隨之增加，360 °角（螺旋角最大）時(shí)混合器的壓降為最大，90 °角的壓降與360 °的壓降相差很大，這與理論分析相符合。

為分析混合單元數(shù)對壓力降的影響，本文選取了混合元件長寬比為4：1的本靜態(tài)混合器針對7種不同雷諾數(shù)下的壓力降進(jìn)行了模擬研究，如圖2（c）所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，每種雷諾數(shù)Re下的壓力降與單元數(shù)之間都近似成一定的線性關(guān)系，各條直線斜率基本一致。

為了研究葉片（流道）數(shù)量對流動(dòng)阻力的影響程度，本文從空管到SK型靜態(tài)混合器再到3葉片、4葉片、5葉片SD型靜態(tài)混合器做了一組流動(dòng)阻力對比分析，如圖2（d）所示。螺旋葉片長寬比4：1，相應(yīng)的SK型靜態(tài)混合器葉片長徑比2：1，測得Re=1133時(shí)的壓降分別為0.252541 Pa，2.220367 Pa，2.834353 Pa，3.50132 Pa，4.373689 Pa，3葉片時(shí)的壓降近似為空管的10倍。不難得出空管的壓降最小，SK 次之，5葉片最大。葉片數(shù)越多，壓力降越大。

4 結(jié) 語

本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，對一種新型的多流道螺旋靜態(tài)混合（SD型靜態(tài)混合器）在管內(nèi)徑一定時(shí)不同雷諾數(shù)（不同流量）以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（不同長寬比、不同螺旋角下）的混合器在阻力特性進(jìn)行了初步研究，主要得出了如下結(jié)論：

對不同長寬比下的SD型混合器壓降比較發(fā)現(xiàn)，在任意雷諾數(shù)（流量）下，混合器總壓降均隨著螺旋葉片長寬比的減小而增大，即兩者成一定的反比關(guān)系， 而且長寬比較小的多流道螺旋靜態(tài)混合器的壓力降對流量波動(dòng)更為敏感。

對含不同螺旋角的SD型混合器分析發(fā)現(xiàn)，螺旋角越大，壓降越大，主要是因?yàn)樵诨旌显L度一定的情況下（螺距恒定），螺旋角越大，元件的扭轉(zhuǎn)程度越大，導(dǎo)致流體走過相同的軸向位置時(shí)花費(fèi)的時(shí)間越長，同時(shí)流體被分割和剪切的程度也越大，這樣流體獲得的阻力自然就會(huì)隨著扭轉(zhuǎn)角的增加而增加。但工程實(shí)際中必須結(jié)合實(shí)際（加工難易、制造成本、混合效果等）選取一定范圍的螺旋角，本文的研究恰確定最優(yōu)螺旋角奠定了一定的基礎(chǔ)。

SD型混合器的壓力降與混合單元數(shù)成一定的指數(shù)規(guī)律，而非正比關(guān)系，形成這種規(guī)律的原因是因?yàn)閴毫涤蓛刹糠謽?gòu)成：一部分是由于混合單元數(shù)的增加增大了流體與元件的接觸長度，摩擦阻力增大，摩擦阻力與混合單元數(shù)成正比；二是由于混合單元數(shù)增加的同時(shí)增多了相鄰混合元件的交接區(qū)域，在交接區(qū)域內(nèi)流體存在剪切、扭轉(zhuǎn)及沖擊等，消耗一定的流體動(dòng)能，從而形成一定的局部阻力。

葉片數(shù)越多，通過混合器的壓降越大。當(dāng)Re<700時(shí)，SD型靜態(tài)混合器壓力降略小于SK型靜態(tài)混合器；當(dāng)Re≥700時(shí)，SD型靜態(tài)混合器壓力降略大于SK型靜態(tài)混合器。

文中也只研究了一種混合內(nèi)徑下的SD型混合器的阻力特性，接下的工作者可以嘗試研究更大管徑的SD型混合器的混合情況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹紅霞.內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器的三維流場模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工 業(yè)大學(xué)，2006.

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