轉(zhuǎn)子速率正弦變化對(duì)流體混合的影響

何婉秋，高明光，朱向哲，王 淼

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轉(zhuǎn)子速率正弦變化對(duì)流體混合的影響

何婉秋1，高明光1，朱向哲1，王 淼2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連 116001）

建立了圓形轉(zhuǎn)子混合設(shè)備的二維流動(dòng)有限元模型，采用網(wǎng)格重疊技術(shù)，利用粒子跟蹤法對(duì)瞬態(tài)混煉流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)不同相位差下的的分散混合性能、分布混合性能、線拉伸以及混合效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和比較；分析了相位角對(duì)流體混沌混合對(duì)效率的影響，為密煉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的新的優(yōu)化方向提供了一定的理論參考。

密煉機(jī)；數(shù)值模擬；粒子示蹤法；Poincare截面

密煉機(jī)是高分子加工業(yè)最常見的設(shè)備之一，在混煉過程中已經(jīng)具有一系列傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，但隨著時(shí)間發(fā)展，實(shí)際生產(chǎn)中不斷提高生產(chǎn)效率是行業(yè)的硬性需求［1,2］?，F(xiàn)實(shí)情況急迫需求我們了解熔體在密煉機(jī)中發(fā)生的具體的非線性運(yùn)動(dòng)，利用非線性混沌理論對(duì)其進(jìn)行分析研究，為聚合物加工設(shè)備的混合機(jī)理研究提供新的思路，從而切實(shí)提高生產(chǎn)效率。

本文以圓形轉(zhuǎn)子混合設(shè)備為研究對(duì)象，采用能夠揭示更詳細(xì)的混合動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)的二維截面進(jìn)行分析［3］。對(duì)于圓形轉(zhuǎn)子密煉機(jī)，我們將采用軟件polyflow為其進(jìn)行流場(chǎng)模擬，采用多種混沌混合參數(shù)進(jìn)行表征，主要分析了轉(zhuǎn)子速度按照正弦變化時(shí)存在相位角對(duì)流體混沌混合強(qiáng)度的影響。為密煉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一定的理論參考。

1 模型

1.1 幾何模型

氣液兩相原料流體經(jīng)過井口油嘴節(jié)流至壓力約10～13 MPa，溫度約40～55℃，流體經(jīng)高壓分離器進(jìn)行分離，分離出的天然氣通過氣相出口進(jìn)入外輸管網(wǎng)。高壓分離器液相進(jìn)入1.6 MPa低壓分離器再次分離，分離出的油水兩相流體進(jìn)入計(jì)量環(huán)保罐后裝入罐車外運(yùn)（圖1）。

為了降低流場(chǎng)中由于狹小空間對(duì)流體過度的拉伸導(dǎo)致流體中長(zhǎng)鏈被破壞，以及降低轉(zhuǎn)子形狀對(duì)流體帶來額外的剪切應(yīng)力，我們選用了一種典型的采用了圓形轉(zhuǎn)子的混合設(shè)備［4］如圖1所示。

圖1 批量處理的圓形轉(zhuǎn)子密煉機(jī)的剖面圖

具體尺寸為：密煉機(jī)單筒內(nèi)徑為30.4 mm，轉(zhuǎn)子與筒內(nèi)壁間隙為12.7 mm，轉(zhuǎn)子直徑為17.7 mm，兩轉(zhuǎn)子中心距為31.8 mm。采用網(wǎng)格重疊技術(shù)來模擬流場(chǎng)中的瞬時(shí)狀況，建立流場(chǎng)的有限元模型，其中包含網(wǎng)格數(shù)40 524個(gè)，結(jié)點(diǎn)數(shù)79 300個(gè)。

1.2 數(shù)學(xué)模型與粘度模型

流體滿足基本假設(shè)，流動(dòng)基本方程為：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

其中：—壓力，mPa；

轉(zhuǎn)子分別由兩個(gè)單獨(dú)的馬達(dá)以同向旋轉(zhuǎn)的方式驅(qū)動(dòng)。該設(shè)備可以提供周期性和非周期性的波形，或者兩者組合波形。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，正弦波形輸出效果最好［5］。

設(shè)定轉(zhuǎn)子速度變化存在90°的相位差。 為轉(zhuǎn)子最大角速度，為時(shí)間周期。為周期內(nèi)，每個(gè)轉(zhuǎn)子的角位移。

本文采用HDPE熔體，Carreau-Yasuda黏度模型：

假設(shè)一對(duì)距離極小的質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過程中相對(duì)距離不斷變化，設(shè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡為，則流體粒子的線拉伸率可以定義為［6］:

2 結(jié)果討論

2.1 轉(zhuǎn)速存在相位差下的粒子混合情況

如公式6，給定轉(zhuǎn)速變化周期一個(gè)相位差，是模擬時(shí)長(zhǎng)。粒子按照方位左右染不同的顏色，如圖2，觀察其在不同相位差下的混合情況。

圖2 粒子軌跡圖

=0.6時(shí)，分別比較三種情況的流道內(nèi)截圖，明顯發(fā)現(xiàn)=π/2時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)最積極，左右粒子均進(jìn)入對(duì)方流域；=3 s時(shí)隨著速度的變化，=π/2，=π中由于速度減低，混合程度開始下降，=0時(shí)混合效果最好；當(dāng)=6 s時(shí)，由于公式3已經(jīng)完整經(jīng)過一個(gè)周期，相位差影響逐漸消除，三者混合程度逐漸一致，=0時(shí)混合程度略優(yōu)于后兩者。

2.2 轉(zhuǎn)速存在相位差下的分離尺度

由公式特點(diǎn)可算出，相隔一個(gè)π的兩個(gè)流場(chǎng)，在周期速度變化剛好相反，我們可以將其分為兩組。圖3中可以看出，前3 s時(shí)，一組中=0變化趨勢(shì)和=π截然相反，后3 s變化趨勢(shì)完全一致，二組也是相同的情況。

圖3 分離尺度對(duì)比

分別對(duì)比數(shù)據(jù)，得到一組的分離指數(shù)全部低于二組，最低的是=0，即相位差為0時(shí)，該種混合方式效率最高。相位差為=3π/2時(shí)，分離尺度在整個(gè)混合階段都處于四組的最高值。由于流道空間較大，四個(gè)條件下的分離尺度指數(shù)均初始值較高，四種分離尺度隨著時(shí)間的變化快速下降，最后近似一致，表明相位差對(duì)流體的影響隨著時(shí)間逐漸減小，最后流場(chǎng)內(nèi)混合程度逐漸相仿，相位差影響消除。

從表1可以看出,五種任務(wù)條件下的注視停留時(shí)間(F(4,68)=16.69,p<0.001)、注視點(diǎn)X坐標(biāo)平均值(F(4,68)=31.37,p<0.001)、注視點(diǎn)Y坐標(biāo)平均值(F(4,68)=36.62,p<0.001)、平均眼跳幅度(F(4,68)=22.26,p<0.001)以及平均瞳孔直徑(F(4,68)=3.80,p<0.05)差異顯著,而平均眼跳持續(xù)時(shí)間(F(4,68)=3.15,p>0.05)和平均眼跳幅度(F(4,68)=2.58,p>0.05)差異不明顯.從圖5的散點(diǎn)折線圖也可以直觀看出這一差異性.

2.3 轉(zhuǎn)速存在相位差下的時(shí)間平均混合效率

四種不同相位差的時(shí)間平均混合效率對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 時(shí)間平均混合效率

時(shí)間平均混合效率的值越大，表示密煉機(jī)中的混合效率越高。從圖中可以看出，在2~6 s一段時(shí)間里，四種不同初始相位角的密煉機(jī)混合效率急劇增大，隨著混合時(shí)間的增加，四條曲線逐漸下降并趨于平穩(wěn)，這與速度的周期性變化有關(guān)，也是密煉機(jī)中進(jìn)行有效混合的必然結(jié)果。此時(shí)=0擠出機(jī)的時(shí)間平均混合效率比其它相位角下混合效率更高，證明其混合效果更好。

2.4 轉(zhuǎn)速存在相位差下的平均對(duì)數(shù)線拉伸

三種不同初始相位角的密煉機(jī)平均線拉伸指數(shù)的對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 平均對(duì)數(shù)線拉伸的對(duì)比

圖5可以看出2 s之前=0和=π略小于=π/2和=3π/2的平均對(duì)數(shù)線拉伸；隨著混合進(jìn)行，四組曲線相互纏繞，差距逐漸減小，最后近似相同。曲線的整體上升趨勢(shì)均隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)，這是用于判定流體混沌狀態(tài)的主要特征之一，這也和粒子染色后的粒子軌跡圖所反映的規(guī)律一致［7］。

3 結(jié) 論

（1）在初始的3 s中，由于=0時(shí)，處于主導(dǎo)地位的左側(cè)轉(zhuǎn)子速度最大，所以導(dǎo)致了=0的一組分離尺度穩(wěn)定下降，平均對(duì)數(shù)線拉伸指數(shù)式上升，時(shí)間平均混合效率也達(dá)到了最高點(diǎn)。所以在初始的3 s中，=0的一組混合效果最好。

（2）隨著混合時(shí)間增加，四組的轉(zhuǎn)子速度都經(jīng)歷了完整的一個(gè)周期變化，流道內(nèi)的混合情況逐漸一致，但=0的一組各項(xiàng)指數(shù)仍然略優(yōu)于其他組，證明=0一組在整個(gè)混合周期中都能提供更高的混合效率，達(dá)到相同的混合效率所需時(shí)間越短。

（3）根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的變化可以預(yù)測(cè)，在有足夠長(zhǎng)的混合時(shí)間下，相位差影響將逐步消除。

參考文獻(xiàn)：

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Effect of the Rotor Speed With Sinusoidal Function on Fluid Mixing

1，1，1，2

（1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China； 2.PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas (LNG) Co., LTD, Liaoning Dalian116001，China）

The 2D finite element model of a chaotic mixer with two circular rotors was established, the mesh superposition technique was used to simulate the transient flow field of the mixer．By using particle tracking method，the dispersive mixing performance，distributive mixing performance，line stretching and mixing efficiency between mixers with different phase angles were compared statistically. Effect of phase angle on fluid mixing efficiency was analyzed.

co-rotating rotor mixer；numerical simulation；particle tracking；Poincare Section

TQ 320.5

A

1671-0460（2016）09-2226-03

遼寧省自然科學(xué)基金，項(xiàng)目號(hào)：20150142。

2016-03-27

何婉秋（1989-），女，吉林四平人，在讀碩士，研究方向：新型石化設(shè)備開發(fā)。E-mail：jackiya@sina.com。