雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性PIV研究

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(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816;2.國(guó)家化工設(shè)備監(jiān)督檢測(cè)中心， 江蘇 張家港 215600)

雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性PIV研究

王光武1，周勇軍1，薛亞運(yùn)1，辛偉2，陶蘭蘭2

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816;2.國(guó)家化工設(shè)備監(jiān)督檢測(cè)中心， 江蘇 張家港 215600)

在內(nèi)徑T=420 mm的圓柱攪拌槽內(nèi)，采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)湍流狀態(tài)下雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究，考察了相對(duì)層間距C2/H和雷諾數(shù)Re等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)特性的影響，同時(shí)利用扭矩傳感器研究了Re對(duì)功率特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)C2/H=0.148～0.400時(shí)，總的軸向速度分布隨著C2/H的增大逐漸趨于正態(tài)分布；當(dāng)C2/H=0.300時(shí)，兩槳間的連接流最明顯；當(dāng)C2/H≥0.400時(shí)，槽內(nèi)產(chǎn)生分區(qū)流現(xiàn)象；當(dāng)Re=(3.75～9)×104時(shí)，功率特征數(shù)NP隨Re增大逐漸降低；當(dāng)Re≥9×104時(shí)，NP趨于穩(wěn)定。

攪拌槽； 粒子圖像測(cè)速技術(shù)； 雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳； 偏心攪拌； 流場(chǎng)

攪拌是一種在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分普遍的單元操作。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)特性研究工作極大地豐富了攪拌理論，目前常用的攪拌方式分為單層攪拌和多層攪拌兩種。多層攪拌槽內(nèi)層間距、離底高度以及不同類型的槳葉組合等對(duì)攪拌效果有著很大的影響，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)多層攪拌槽內(nèi)的流型、速度分布、湍動(dòng)能及攪拌功率等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。郭欣等采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)對(duì)雙層三葉CBY翼型槳攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，攪拌槽內(nèi)流動(dòng)以軸向流為主，并且層間距對(duì)攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)特性影響比較明顯[1]。鄭國(guó)軍等利用PIV實(shí)驗(yàn)對(duì)雷諾數(shù)Re條件下雙層CBY槳攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，功率準(zhǔn)數(shù)隨著Re的增大而逐漸降低，而且槳葉C2/H對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響較小[2]。Szalai等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)4層INTER-MIG組合槳攪拌槽內(nèi)的混合特性進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，由于各層槳之間物料的動(dòng)量傳遞不足，因此導(dǎo)致高黏度物料的混均效果比較差[3]。

隨著工業(yè)中對(duì)攪拌效果的要求越來(lái)越高，多層中心攪拌越發(fā)難以滿足要求，多層偏心攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)特性的研究尤顯重要。Alvarez等對(duì)層流狀態(tài)下偏心攪拌進(jìn)行的研究指出，偏心攪拌能夠縮短混合時(shí)間[4]。Karcz等研究牛頓流體在湍流狀態(tài)下偏心攪拌時(shí)，量化了偏心率對(duì)混合時(shí)間、能量消耗的影響[5]。楊敏官等對(duì)偏心攪拌槽內(nèi)高濃度漿液中顆粒的懸浮特性研究發(fā)現(xiàn)，在高黏度槳液中偏心攪拌較中心攪拌增強(qiáng)了流場(chǎng)內(nèi)流體的軸向循環(huán)能力及固體顆粒懸浮效果[6]。楊鋒苓等對(duì)Rushton槳偏心攪拌槽內(nèi)固-液懸浮特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)偏心率e=0.2時(shí)懸浮效果最佳，臨界轉(zhuǎn)速較中心攪拌時(shí)的小且能耗低[7]。劉悅等開發(fā)了LY框式攪拌槳，用于雙軸雙槳偏心攪拌，提高了混合效果[8]。Cabaret等比較單偏心軸雙層Rushton和雙偏心軸單層Rushton槳的攪拌效果，發(fā)現(xiàn)雙軸單槳需要的混合攪拌時(shí)間較單軸雙槳的短，且槳葉上下部位的混合分離區(qū)消除，令功耗降低[9]。車占富等利用PIV和固體激光發(fā)生器對(duì)偏心攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)偏心距離越大，槽內(nèi)流體的軸向流動(dòng)越顯著且形成了較大的軸向循環(huán)，但是固體懸浮的臨界轉(zhuǎn)速和攪拌功率的消耗也隨著增大，并得出最佳偏心率e=0.4[10]。但關(guān)于層間距C2及Re對(duì)單軸多層偏心攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)特性影響的研究還鮮見報(bào)道。

本文采用高分辨率的PIV研究了C2和Re等參數(shù)對(duì)雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律，并利用扭矩傳感器測(cè)量了改進(jìn)型INTER-MIG槳的功率特性。

1 偏心攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與材料

本實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭和圓柱形透明有機(jī)玻璃組成的四擋板均勻分布攪拌槽，攪拌槽內(nèi)徑T=420 mm、高度H=675 mm。在攪拌槽內(nèi)采用交叉布置方式安裝雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳，槳葉直徑D=210 mm，攪拌軸偏心安裝，偏心率e=0.2[11]，下層槳距攪拌槽底的高度C1=225 mm，工作介質(zhì)為清水，流體中加入和水密度幾乎相同的示蹤粒子(ρ=1.1 g/cm3)，示蹤粒子的直徑為8～12 μm。

偏心攪拌槽的結(jié)構(gòu)見圖1，改進(jìn)型INTER-MIG槳的結(jié)構(gòu)見圖2。圖2中D=210 mm、Dhb=34 mm、l1～l4依次為44、26、20和30 mm。為避免圓柱形有機(jī)玻璃槽壁面對(duì)激光的折射，故將攪拌槽放置在一個(gè)與攪拌槽相同材質(zhì)的方槽內(nèi)，并使方槽與攪拌槽之間充滿水且使液面高度和攪拌槽內(nèi)的液位保持一致。此外將槳葉和攪拌軸噴上黑色啞光漆，用于減弱其對(duì)激光的反射作用。

圖1 攪拌槽結(jié)構(gòu)示圖

圖2 改進(jìn)型INTER-MIG槳結(jié)構(gòu)

1.2PIV測(cè)試系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)TSI 公司生產(chǎn)的粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)， 此測(cè)量系統(tǒng)主要由待測(cè)區(qū)域、圖像記錄系統(tǒng)(CCD相機(jī))、軸編碼器、雙脈沖激光器、同步控制器、激光器以及PIV相關(guān)軟件等硬件和軟件構(gòu)成。在圖3所示的二維PIV系統(tǒng)工作連接示意圖中，雙脈沖激光器產(chǎn)生高強(qiáng)度的脈沖激光，通過(guò)導(dǎo)光臂引導(dǎo)，經(jīng)過(guò)柱面鏡和球面鏡產(chǎn)生厚度約1 mm片光源入射到待測(cè)區(qū)域，通過(guò)與片光源相垂直方向的CCD攝像系統(tǒng)拍下間隔時(shí)間非常精準(zhǔn)的2個(gè)瞬間時(shí)刻脈沖激光曝光的粒子圖像，利用互相關(guān)算法運(yùn)算，得到在間隔時(shí)間內(nèi)流場(chǎng)中大量示蹤粒子的位移，進(jìn)而獲得流場(chǎng)中一個(gè)平面內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的速度。圖像處理由TSI公司的Insight 4G系統(tǒng)完成。

圖3 二維PIV系統(tǒng)連接示圖

1.3實(shí)驗(yàn)方法

PIV系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，激光器和照相機(jī)保持90°夾角，流場(chǎng)區(qū)域由波長(zhǎng)532 nm、單脈沖能量380 mJ的激光通過(guò)共線通道照亮形成，選用笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸x、y、z分別代表徑向、切向、軸向，原點(diǎn)位于攪拌槽底部中心。在二維PIV系統(tǒng)中待測(cè)區(qū)域?yàn)檩S向和徑向構(gòu)成的平面，由脈沖激光經(jīng)過(guò)柱面鏡和球面鏡產(chǎn)生的厚度約1 mm的片光，與方槽玻璃壁面相垂直方向射入圓柱形有機(jī)玻璃槽內(nèi)形成。將軸編碼器和TSI公司的610036同步器連接，以實(shí)現(xiàn)拍攝相機(jī)、激光器的同步觸發(fā)，其中拍攝相機(jī)為400萬(wàn)像素(對(duì)應(yīng)的圖片分辨率為2 048×2 048的CCD相機(jī)，同步器的分辨率為1 ns，并由Insight 4G軟件控制進(jìn)行全自動(dòng)操作和采集圖像的后處理。

實(shí)驗(yàn)中將軸向的坐標(biāo)對(duì)攪拌槽的高度H做無(wú)因次化處理，表示為z/H；徑向的坐標(biāo)對(duì)攪拌槽半徑R做無(wú)因次化處理，表示為r/R。本實(shí)驗(yàn)工作分為兩部分：①保持?jǐn)嚢柁D(zhuǎn)速n=100 r/min、e=0.2以及C1=225 mm，通過(guò)改變C2考察偏心攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的變化規(guī)律,操作條件見表1。②保持e=0.2、C1=225 mm及C2/H=0.300，通過(guò)改變n分析湍流狀態(tài)下偏心攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性的變化規(guī)律，操作條件見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)操作條件1

表2 實(shí)驗(yàn)操作條件2

1.4測(cè)量平面選取

因偏心攪拌時(shí)流場(chǎng)具有非對(duì)稱性，故在拍攝時(shí)將激光器發(fā)射出的片光偏離攪拌軸的軸心5 mm，以得到整個(gè)軸面內(nèi)的流場(chǎng)。由于擋板附近流體的流動(dòng)受擋板干擾，在擋板附近得到的流場(chǎng)在全槽內(nèi)不具有代表意義，因此實(shí)驗(yàn)中均選擇兩擋板中間位置作為測(cè)量平面[1]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.1層間距對(duì)攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的影響

2.1.1流型

通過(guò)改變層間距C2，得到攪拌槽內(nèi)4種流型圖，見圖4。

在C2/H=0.148～0.400內(nèi)，上下兩層槳葉右側(cè)均形成一個(gè)漩渦，兩層槳葉之間的液體沿著徑向方向流向壁面，到達(dá)壁面后形成向上和向下兩股軸向流動(dòng)促成攪拌槽內(nèi)的軸向循環(huán)。

C2=0.200H和0.300H兩種工況下的整體流型相似，下槳葉處流體沿水平方向排出，碰及槽壁后分作兩部分，一部分向槽底運(yùn)動(dòng)并在下槳葉右下方形成一個(gè)漩渦，另一部分向上運(yùn)動(dòng)。上槳葉排出的流體碰及槽壁后亦分作向上和向下流動(dòng)的兩部分，向上流動(dòng)的部分在上槳葉附近形成了漩渦，向下流動(dòng)的部分與下槳葉分出的向上流動(dòng)的部分匯合并在兩槳中間高度形成小漩渦，流體的流動(dòng)表現(xiàn)為連接流，此時(shí)混合比較迅速，混合效果較好[12]。

C2=0.148H時(shí)，流型與單層槳比較相近，說(shuō)明層間距較小時(shí)，上層槳對(duì)槽內(nèi)整體流動(dòng)影響甚微，但兩層槳葉排出的流體相互干擾增強(qiáng)，造成能量浪費(fèi)，對(duì)混合不利。

圖4 不同層間距下攪拌槽內(nèi)的4種流型

C2=0.400H時(shí)，上下兩層槳葉各自形成一個(gè)循環(huán)，流體從下層槳葉排出，沿著與軸線傾斜的方向向上流動(dòng)，一部分被上層槳葉吸入，另一部分由于重力作用發(fā)生轉(zhuǎn)向而向下流動(dòng)，在下槳葉右下側(cè)形成一個(gè)循環(huán)，兩槳葉之間的相互作用和軸向流動(dòng)變?nèi)酰藭r(shí)混合較為緩慢，對(duì)攪拌槽內(nèi)混合效果極為不利[13,14]。綜合分析圖4c和圖4d可以看出，C2=0.300H是出現(xiàn)分區(qū)的臨界值，此時(shí)C2的實(shí)際尺寸是202.5 mm，略小于槳葉直徑D，這與周國(guó)忠對(duì)雙層CBY槳的研究結(jié)果一致[12]。

觀察圖4中上下槳葉處產(chǎn)生的漩渦大小和位置

的變化，發(fā)現(xiàn)隨著C2的逐漸增大，上槳葉處產(chǎn)生的漩渦位置由葉輪右上側(cè)逐漸偏移到葉輪右下側(cè)，在C2=0.300H時(shí)向下偏移到最大值，之后漩渦位置趨于不變。下槳葉處產(chǎn)生的漩渦先向上偏移，在C2=0.300H時(shí)，渦心與下槳葉徑向中心近乎共線，之后略微向下偏移。且上下兩個(gè)漩渦渦心之間的距離也隨著層間距的增加而變大，這是因?yàn)殡S著層間距的增大，兩槳葉產(chǎn)生的漩渦之間的作用力在減弱。

2.1.2流場(chǎng)內(nèi)軸向速度分布[15]

不同槳葉層間距下流場(chǎng)內(nèi)軸向速度的統(tǒng)計(jì)分布見圖5。

圖5 不同層間距下軸向速度分布

觀察圖5中不同層間距下的流場(chǎng)內(nèi)軸向速度的分布情況可發(fā)現(xiàn)，軸向速度大于0的部分占比較高。結(jié)合上述流型的分析可以得出，攪拌槽內(nèi)流動(dòng)以軸向流占主導(dǎo)。隨著層間距逐漸增大，向上和向下的軸向速度均逐漸提高，向上的軸向速度變化較為明顯。但總的軸向速度分布逐漸趨于正態(tài)分布，說(shuō)明兩層槳葉之間的干擾越來(lái)越少，流體逐漸趨于自由流動(dòng)。此外，對(duì)比圖5a～圖5d發(fā)現(xiàn)，雖然隨著層間距的增大，流場(chǎng)內(nèi)向上和向下的軸向速度總體增大，但在C2=0.300H時(shí)出現(xiàn)了下降，之后回升并趨于穩(wěn)定。這與上述層間距對(duì)流場(chǎng)內(nèi)流型影響的分析一致，因此可認(rèn)為C2=0.300H為臨界層間距，是實(shí)現(xiàn)攪拌槽內(nèi)流體整體循環(huán)的關(guān)鍵。

2.2Re對(duì)攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的影響

2.2.1攪拌功率

不同Re下雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳的功率特性見圖6。

由圖6可見，相同的C2下，在Re為(3.75～7.5)×104內(nèi)，隨著Re增大，攪拌功率特征數(shù)NP逐漸降低，其走勢(shì)近乎為一條斜率為-1.5×10-4的直線，即

圖6 不同雷諾數(shù)下雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳功率曲線

使在Re為8×104時(shí)，NP仍呈略微下降趨勢(shì)，當(dāng)Re>9×104時(shí)，功率曲線趨于一條水平直線，即NP與Re無(wú)關(guān)。說(shuō)明當(dāng)Re>9×104時(shí)，攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)入充分湍流區(qū)。

2.2.2軸徑合速度

分別取z/H=0.300、α=0°界面處沿徑向和軸徑的合速度以及r/R=0.45、r/R=0.60位置處沿軸向的軸徑合速度進(jìn)行研究，分析Re(Re由n表達(dá))的改變對(duì)攪拌槽內(nèi)軸徑合速度分布的影響，見圖7。軸徑合速度vaz用葉端線速度vtip做無(wú)因次化處理。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下攪拌槽內(nèi)軸徑合速度分布

觀察圖7a分布圖，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)因次軸徑合速度在攪拌軸的左右兩側(cè)分別出現(xiàn)了峰值，在攪拌軸左側(cè)r/R=-1.00、-0.75及-0.30處均出現(xiàn)峰值，且r/R=-0.75位置處流體速度較r/R=-0.30處小23%，r/R=-1.00位置處流體速度較r/R=-0.75處小39%。而在攪拌軸右側(cè)僅出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別在r/R=0.50和0.85處，且峰值也呈下降趨勢(shì)，r/R=0.85位置處流體速度較r/R=0.50處小38%，這是因?yàn)閞/R=-0.30和r/R=0.50處為前一葉片排出流體運(yùn)動(dòng)180°后的速度，而r/R=-0.75和r/R=0.85位置處為第二個(gè)葉片排出流體運(yùn)動(dòng)360°后的速度，r/R=-1.00為下一周期前一葉片排出流體運(yùn)動(dòng)180°后的速度。

觀察圖7b和圖7c發(fā)現(xiàn)，沿軸向無(wú)因次軸徑合速度的高速區(qū)均分布于各槳葉的射流區(qū)，而下槳葉射流區(qū)的速度較上層槳葉的大很多，這是因?yàn)閮蓸~交叉布置，且是在相位角α=0°界面處進(jìn)行拍攝采集分析，此時(shí)上槳葉垂直于拍攝面。

觀察圖7，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在50～120 r/min，即Re為(3.75～9)×104時(shí)，沿著徑向和軸向方向的無(wú)因次化軸徑合速度隨轉(zhuǎn)速n增加而增大，且在n>120 r/min(即Re>9×104)時(shí)，軸徑合速度均出現(xiàn)回落。結(jié)合上述Re對(duì)攪拌功率影響的分析可以得出Re= 9×104是臨界值，大于該值時(shí)，Re的改變不影響攪拌槽內(nèi)的無(wú)因次化速度分布，攪拌槽內(nèi)流體進(jìn)入充分湍流狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過(guò)PIV對(duì)雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳偏心攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了層間距和雷諾數(shù)等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)分布的影響。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下主要結(jié)論。

(1)在C2/H為0.200、0.300時(shí)，攪拌槽內(nèi)出現(xiàn)連接流，此時(shí)混合迅速。C2/H減小至0.148時(shí)，兩槳的相互作用強(qiáng)烈，不利于混合。但C2/H增加到0.400時(shí)，兩槳葉各自形成循環(huán)，攪拌槽內(nèi)流體分區(qū)。

(2)在C2/H=0.148～0.400內(nèi)，攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)中向上的軸向流動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位,且隨著C2/H的增大，軸向速度整體增大且向上的軸向增速較為明顯，但總的軸向速度分布逐漸趨于正態(tài)分布。

(3)在Re=(3.75～9)×104內(nèi)，隨Re增大，雙層改進(jìn)型INTER-MIG槳的NP逐漸降低，但無(wú)因次化的軸徑合速度卻增大。

(4)Re≥9×104(n≥120 r/min)時(shí)，Re的改變不影響攪拌槽內(nèi)的無(wú)因次化速度分布，攪拌槽內(nèi)流體進(jìn)入充分湍流狀態(tài)。

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(柏編)

StudyonFlowCharacteristicsinanEccentricallyAgitatedVesselwithBilayerImprovedINTER-MIGImpellerswithPIV

WANGGuang-wu1,ZHOUYong-jun1,XUEYa-yun1，XINWei2，TAOLan-lan2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2. National Chemical Equipment Supervision and Testing Center， Zhangjiagang 215600, China)

In the cylindrical stirred tank with inner diameterT=420 mm, the turbulent flow field in the eccentric stirring tank of bilayer improved INTER-MIG impellers was studied by using particle image velocimetry. The influence of the parameters such as layer spacingC2/Hand Reynolds numberReon the flow characteristics in the flow field was investigated, at the same time, the effect ofReon the power characteristics was studied by using a torque sensor. The results show that the total axial velocity distribution tends to be normal distribution with the interval ofC2/H=0.148～0.400. WhenC2/H=0.300, the most obvious connection flow is observed; and whenC2/H≥0.400, a regional flow phenomenon generates in the tank; whenRe=(3.75～9)×104, the rate characteristic numberNPdecreases gradually with the increase ofRe, and whenRe≥9×104,NPtends to be stable.

agitated vessel；particle image velocimetry; double-layer improved INTER-MIG paddle; eccentric agitation; flow field

TQ050.7； TB115.1

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.003

1000-7466(2017)05-0012-07

2017-04-10

王光武(1992-)，男，安徽亳州人，在讀碩士研究生，主要從事攪拌設(shè)備性能研究。