仿柳葉形靜態(tài)混合器的流動及混合特性

傅鑫亮，閆志勇

（中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

仿柳葉形靜態(tài)混合器的流動及混合特性

傅鑫亮，閆志勇

（中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

對仿柳葉形靜態(tài)混合器內(nèi)混合氣流進(jìn)行了速度場與濃度場的試驗研究，結(jié)果表明該混合器內(nèi)速度場與濃度場偏差均達(dá)到了非常理想的效果（優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)偏差值）。同時采用CFD軟件對該靜態(tài)混合器內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，試驗與模擬的數(shù)值結(jié)果以及兩者的濃度云圖分布都有著較好的一致性。隨后的研究結(jié)果表明：在混合元件尾跡區(qū)域出現(xiàn)了縱向渦和發(fā)卡渦來促進(jìn)混合；在經(jīng)過混合元件區(qū)域時因為湍流動能耗散率增加形成的高湍流動能耗散率區(qū)能夠使物質(zhì)交換更加頻繁；整個靜態(tài)混合器的流動阻力也主要發(fā)生在該區(qū)域，隨之出現(xiàn)的返混現(xiàn)象也在一定程度上加強(qiáng)了混合效果。

仿柳葉形；氣流返混；流動混合特性；混合；靜態(tài)混合器

引 言

流體混合通常被運(yùn)用于石油、化工、紡織印染等生產(chǎn)領(lǐng)域[1-6]，在諸多的操作流程中是廣泛而又關(guān)鍵的一步，反應(yīng)物料一般要求混合均勻后再進(jìn)入反應(yīng)器或下一流程，因此混合的均勻程度對整個反應(yīng)過程以及生產(chǎn)效率的提高起著至關(guān)重要的作用。其中靜態(tài)混合器技術(shù)由于其制造成本低、能耗小以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在眾多的化工單元操作中得到廣泛應(yīng)用[7-8]。吳衛(wèi)紅等[9]研發(fā)了 X 型靜態(tài)混合器，有效地提高了氨氣和煙氣的混合均勻程度；張國鋒等[10]通過改進(jìn)型翹片式靜態(tài)混合器實(shí)現(xiàn)藥劑與原油的成分混合；Hirschberg等[11]在SMX元件之間增加一定間隙地方法顯著降低了混合壓降。

靜態(tài)混合器是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的混合裝置，但傳統(tǒng)靜態(tài)混合器在短距離快速混合即小空間內(nèi)達(dá)到快速混合的能力還無法滿足工業(yè)要求[12-14]。為解決這一問題，本研究組根據(jù)之前的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)[15]，提出了仿柳葉形混合單元不規(guī)則排列方式的靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)。試驗用的仿柳葉形靜態(tài)混合單元由4個葉片沿著流動方向軸線相錯90°排列，每個葉片之間間隔一定的距離?；旌显g也按照一定的方式排列。本研究組之前的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體流過仿柳葉形靜態(tài)混合元件時，由于葉片之間所形成的獨(dú)特的空間位置會使流體在其中受到反復(fù)的切割以及徑向的混合，使得整個混合元件部分以及之后的區(qū)域湍動加強(qiáng)，加速流體之間的混合，從而達(dá)到短距離混合的目的。而現(xiàn)有的靜態(tài)混合器往往會因為安裝長度無法達(dá)到混合距離的要求，實(shí)現(xiàn)不了工藝目標(biāo)。為了全面了解仿柳葉形靜態(tài)混合器的流動及混合特性，本文以SCR脫硝裝置中的靜態(tài)混合器為研究背景[16-19]，在實(shí)際工程中，NH3與NOx在煙氣的混合過程中，速度過高之處會造成催化劑沖蝕和磨損，速度過低又會形成催化劑的積灰與堵塞，而濃度的不均勻則無法達(dá)到設(shè)計的脫硝效率，降低了SCR系統(tǒng)的使用性能。本文用試驗和數(shù)值計算兩種方法對該靜態(tài)混合器均勻流場的作用進(jìn)行研究，為該靜態(tài)混合器進(jìn)一步的設(shè)計開發(fā)提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗裝置及流程

試驗裝置主要由CO噴入系統(tǒng)和仿柳葉形靜態(tài)混合器兩部分組成。結(jié)構(gòu)以及流程控制如圖1所示，試驗管道尺寸為800 mm×100 mm×315 mm，其當(dāng)量直徑D為151.8 mm，由有機(jī)玻璃制作，在保證加工精度的情況下，混合單元采用ABS加工（圖2），并在試驗管道入口處加裝海綿以使進(jìn)口流場達(dá)到均勻。CO氣體噴射口均勻分布在距離管道進(jìn)口0.5D截面處，噴口數(shù)量共42個，直徑2 mm，其噴射量通過D07型質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制，確保試驗中CO流量與煙道中氣流流量之比與實(shí)際SCR系統(tǒng)中氨氣與煙氣流量之比相等。整個靜態(tài)混合器由 21個混合單元構(gòu)成，葉片與軸線呈 45°偏轉(zhuǎn)，試驗管道置于長寬高為2000 mm×600 mm×600 mm的低速流體風(fēng)洞中。試驗裝置的速度場、濃度場分別通過DANTEC熱線風(fēng)速儀和TESTO350煙氣分析儀測得。

為了測定該靜態(tài)混合器在整個流場中造成的流動及混合特性的變化，在距離混合元件下游1/2D、1D、3/2D、2D、5/2D、3D處選定測試面即X方向上的375.9、451.8、527.7、603.6、679.5、755.4 mm截面，相鄰測點(diǎn)間隔5 mm。

由于試驗環(huán)境無法達(dá)到實(shí)際 SCR脫硝裝置的進(jìn)口溫度工況。因此根據(jù)冷態(tài)?；囼炛械南嗨评碚摚诒ＷC幾何相似的前提下，使得試驗?zāi)Ｐ椭械腞eynolds數(shù)處于第二自?；瘏^(qū)內(nèi)[20-22]，從而保證流場的流速分布相似，這樣試驗所得數(shù)據(jù)才能更真實(shí)地反映該裝置的性能。試驗表觀速度為4 m·s-1，與其相對應(yīng)的Reynolds數(shù)為16216。

圖1 試驗裝置結(jié)構(gòu)及流程Fig.1 Structure of experimental setup and flow chart

圖2 混合單元視圖Fig.2 Mixed unit view

2 流場的數(shù)值模擬

2.1 計算模型

數(shù)值模擬可以獲得湍流機(jī)理的局部參數(shù)，如湍流動能、湍流動能耗散率等很難在試驗中獲得。Rahmani等[23-25]在比較了多種不同的湍流模型后發(fā)現(xiàn)采用與近壁面函數(shù)相結(jié)合的Realizablek-ε模型能更精確地描述包含混合元件的管道內(nèi)流場特性。因此本文運(yùn)用 CFD軟件對仿樹葉形靜態(tài)混合器試驗裝置內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，模型選用 Realizablek-ε模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLE方法進(jìn)行處理，壓力的離散采用PRESTO，對流差分項采用Second Order Upwind形式進(jìn)行離散。煙道進(jìn)口速度與試驗表觀速度一致，煙道出口為壓力出口。煙道與混合器部分分別采用 Map和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并通過局部加密的方法來提高網(wǎng)格密度。湍流動能方程（k方程）為

耗散率方程（ε方程）

式中，C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)；σk、σε為湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)，相關(guān)參數(shù)見表1；Sk、Sε為用戶定義源項；μt為湍流渦黏系數(shù)，μt=ρCμk2/ε；Gb為由于浮力而引起的湍動能k的產(chǎn)生項；YM為可壓湍流中脈動擴(kuò)張項；Gk為由于速度梯度引起的應(yīng)力源項，其中，

表1 Realizable k-ε模型參數(shù)Table 1 Constants in Realizable k-ε model

由于模擬的實(shí)際煙道中含有氮氧化物、水、空氣等多組分物質(zhì)，因此混合流動采用組分傳輸模型

式中，ρ為氣相混合物的密度，μ則為其黏性系數(shù)；ω=(ωx,ωy,ωz)表示沿坐標(biāo)方向的速度矢量；Yi表示組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di是在氣相中組分i的擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

計算區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量直接影響計算模型的準(zhǔn)確性和所需時間，網(wǎng)格無關(guān)性即驗證計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分策略對數(shù)值模擬結(jié)果無明顯可觀影響時，才具有實(shí)際意義。如表2所示，隨著網(wǎng)格的細(xì)化，網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)一步提高，模擬結(jié)果也越能反映客觀事實(shí)，但迭代計算效率變低，經(jīng)綜合考慮選用網(wǎng)格數(shù)200萬個的網(wǎng)格劃分方法。

表2 網(wǎng)格數(shù)對3D截面處速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)的影響Table 2 Influence of number of grids on standard deviation coefficient of speed at 3D section

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

靜態(tài)混合器內(nèi)部流場均勻性是體現(xiàn)其混合效果的重要指標(biāo)，其中速度與濃度整體分布的均勻程度可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)σv來表示

式中，Sv為混合器下游測試截面上的速度（濃度）標(biāo)準(zhǔn)偏差；Cv為混合器下游測試截面上的速度（濃度）平均值。

3 試驗結(jié)果對數(shù)值模擬的驗證

3.1 速度場的驗證

圖3 速度場數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的比較Fig.3 Comparison of numerical simulation and experimental research of velocity field

圖3為新型靜態(tài)混合器速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)數(shù)值模擬所得結(jié)果與試驗結(jié)果的比較。從圖中可以看出兩種方法所得的曲線變化趨勢趨于一致，吻合性較好，平均相對誤差小于10%[26-29]。在混合元件上游位置速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)都在 5%左右，速度分布均勻。由于靜態(tài)混合元件的作用，0～1D范圍內(nèi)速度分布急劇變化，之后下降趨勢開始趨于平穩(wěn)，最終速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為12.84%。根據(jù)《燃煤煙氣脫硝技術(shù)裝備》中相關(guān)的設(shè)計要求[30]：煙氣的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)小于15%即為優(yōu)秀。從圖中可以看出該新型靜態(tài)混合器的速度分布滿足混合特性要求。

3.2 濃度場的驗證

在上述靜態(tài)混合器裝置的速度場達(dá)到設(shè)計要求后，進(jìn)一步討論濃度場的分布情況。圖4顯示的是CO氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)沿程分布規(guī)律的數(shù)值模擬與試驗研究計算結(jié)果的對比。濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)沿著管道軸向逐漸降低，在0～0.5D范圍內(nèi)，試驗濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)下降了25.66%，之后下降進(jìn)程有所減緩，CO與空氣的混合過程減慢但濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)仍存在一定的下降趨勢，在3D截面處到達(dá)10.94%。在入口條件一致，混合裝置空間覆蓋率相同的條件下，同樣以topsoe公司開發(fā)的星形靜態(tài)混合器進(jìn)行試驗，表3顯示了在相同的混合距離內(nèi)，仿柳葉形靜態(tài)混合器的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)明顯低于星形混合器，有效地起到了強(qiáng)化混合的效果。

表3 兩種靜態(tài)混合器在L=3D截面處的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Table 3 Standard deviation coefficient of concentration of two static mixers at L=3D cross section

從圖 4中可以看出采用上述數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，平均相對誤差也在10%以內(nèi)。因此在下文中可以使用上述模型對該仿柳葉形靜態(tài)混合器的流動及混合特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

此外，圖5(a)、(b)分別是3D截面處模擬與試驗所得濃度分布的云圖對比。由圖可知，兩者的分布狀況大體一致，從而證實(shí)了模擬的有效性。

圖4 濃度場數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的比較Fig.4 Comparison of numerical simulation and experimental research of concentration field

4 結(jié)果與分析

4.1 新型靜態(tài)混合器的速度場分析

圖6 速度流線分布Fig.6 Velocity streamline distribution

上述所說的強(qiáng)化混合效果如圖6所示，圖6(b)顯示的是x=380 mm截面處的速度分布。其中箭頭方向代表在YZ平面上的方向分布，箭頭的長度表示在YZ平面上的速度大小，箭頭的顏色則是在三維空間上的速度大小分布情況。由圖 6(a)可知，在去除壁面影響的情況下，未安裝靜態(tài)混合裝置的管道內(nèi)速度分布基本一致，但在靠近流道中心區(qū)域YZ平面上的二維合速度卻很小，這就表明氣相混合物在流動過程中周圍物質(zhì)之間的交換極其有限。在圖6(b)中，安裝有靜態(tài)混合裝置的煙道下游速度原本分布均勻的狀況被改變，葉片尾跡區(qū)域的三維方向的速度明顯小于周圍區(qū)域的流體速度，并且在葉片尾跡區(qū)域產(chǎn)生縱向渦（沿著主流方向發(fā)展的渦流），由于混合元件之間特殊的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在慣性的作用下相鄰的不同強(qiáng)度的縱向渦相互卷吸，加強(qiáng)了低速區(qū)與高速區(qū)之間的物質(zhì)傳遞。類似的連鎖反應(yīng)使得整個混合區(qū)域的物質(zhì)與動量交換得到很大程度的強(qiáng)化，混合效果大大增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步說明上述混合效果，圖7為選取了單個葉片區(qū)域尾跡的速度流線圖，從圖中可以看出3對嵌套發(fā)卡渦[31]。由于發(fā)卡渦能夠從局部邊界層提起和夾帶渦旋，能在一定程度上增加其自身強(qiáng)度以抵抗渦流擴(kuò)散所引起的動量衰減，它們的反向旋渦能協(xié)同誘導(dǎo)來自低速區(qū)流體的輸送，同時也能將高速區(qū)的自由流體引入低速區(qū)，從而使得混合區(qū)快速增長。另外在存在嵌套發(fā)卡渦的情況下，前一個發(fā)卡渦的尾部與尾隨的發(fā)卡渦相纏繞[圖 6(b)]，這種相互作用能在尾流中引起更強(qiáng)烈的混合，顯著增加其結(jié)構(gòu)滲透性。此外，發(fā)卡渦還存在著不穩(wěn)定的三維方向上的分離，能夠再生次級發(fā)卡結(jié)構(gòu)來提供渦流的自我維持機(jī)制[32]，從而使得混合效果得到加強(qiáng)。

圖7 單個葉片的速度流線圖Fig.7 Velocity profile of a single blade

4.2 湍流動能耗散率

湍流動能耗散率的大小及其分布對靜態(tài)混合器內(nèi)的混合以及多相流之間的物質(zhì)交換有著直接的影響。由圖8可知，在管道入口處湍流動能耗散率非常小，在經(jīng)過混合元件的第1組葉片時湍流動能耗散率急劇增加，由于葉片之間的空間組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致相鄰兩個葉片的尾渦相互交錯，形成一個長距離的高湍流動能耗散率區(qū)(即圖中深色區(qū))。由于湍流動能耗散發(fā)生在Kolomogorov小尺度中，與物質(zhì)在空間內(nèi)位置互換的宏觀混合以及微粒在分子尺度上均勻分散的微觀混合不同[33-34]，該區(qū)域內(nèi)大湍渦在湍流脈動的控制下逐漸演變?yōu)樾⊥臏u，并且因為在該慣性子區(qū)內(nèi)湍動能既不產(chǎn)生也不會耗散，而是逐級傳遞，因此在該耗散區(qū)很長一段距離內(nèi)流體的物質(zhì)交換變得更為頻繁，混合效果進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖8 Y=33管道截面湍流動能耗散率分布云圖Fig.8 Distribution of dissipation rate of turbulent flow in Y=33 pipeline section

4.3 新型靜態(tài)混合器的壓力分布

仿柳葉形靜態(tài)混合器的軸截面內(nèi)部壓力降沿著管道的分布規(guī)律如圖9所示。從圖中可以看出混合區(qū)域前后的壓差到達(dá)了27.85 Pa，整個靜態(tài)混合器內(nèi)部流動阻力也主要集中在該區(qū)域。而且從圖中可以看出流體壓力在管道內(nèi)流動時出現(xiàn)了4個振蕩區(qū)間，并且后一個振蕩區(qū)間的起始壓力明顯大于前一個振蕩區(qū)間的終止壓力。這是因為在該軸向截面上，流體先后經(jīng)過4個不同朝向的混合葉片時，由于前面提到的旋渦造成了流體的軸向返混，使得后一個混合葉片的初始壓力增大，同時返混氣流能夠與來流發(fā)生物質(zhì)交換，增強(qiáng)該靜態(tài)混合器的混合效果。

圖9 新型靜態(tài)混合器壓力降隨管長的變化Fig.9 New static mixer pressure drop varied with tube length

5 結(jié) 論

本文首先利用熱線風(fēng)速儀和煙氣分析儀對仿柳葉形靜態(tài)混合器的速度場和濃度場進(jìn)行測量，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，平均相對誤差也在合理范圍內(nèi)。在之后的數(shù)值模擬過程中采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法，分別對該新型靜態(tài)混合器的速度分布、湍流動能耗散率分布以及軸向截面的壓力分布進(jìn)行分析，得到其流動及混合特性。結(jié)論如下。

（1）仿柳葉形靜態(tài)混合器在1/2D～1D范圍內(nèi)速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)急劇下降，之后趨于平緩，速度分布符合燃煤煙氣脫硝技術(shù)裝備的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)也在 0～1/2D范圍內(nèi)急速下降25.66%，與空白試驗相比混合效果得到了顯著強(qiáng)化。結(jié)合速度場與濃度場的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果說明試驗采用的數(shù)學(xué)模型是可靠的。

（2）相比于未安裝靜態(tài)混合裝置，仿柳葉形靜態(tài)混合裝置在葉片尾跡區(qū)能夠產(chǎn)生縱向渦與發(fā)卡渦?？v向渦加速高速區(qū)與低速區(qū)進(jìn)行物質(zhì)傳遞，發(fā)卡渦能夠減緩其自身動量衰減，增加結(jié)構(gòu)的滲透性，再生的次級發(fā)卡渦能提供渦流的自我維持機(jī)制，進(jìn)一步促進(jìn)管道內(nèi)的混合。

（3）在經(jīng)過混合元件之后管道內(nèi)的湍流動能耗散率急劇增加，形成一個高湍流動能耗散率區(qū)，在區(qū)域內(nèi)湍流動能以逐級傳遞的方式使得物質(zhì)相互混合更加密切，混合作用得到增強(qiáng)。

（4）流體在管道的軸線方向產(chǎn)生返混現(xiàn)象，造成軸向截面壓力分布出現(xiàn)4個振蕩區(qū)，返混氣流與來流相互交錯混合，在產(chǎn)生27.85 Pa壓差的同時，物質(zhì)與動量的交換過程也得到了強(qiáng)化。

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date:2017-06-12.

Prof.YAN Zhiyong,yanzy@cjlu.edu.cn

supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (Y14E060025).

Flow and mixing characteristics in willow leaf-like static mixer

FU Xinliang,YAN Zhiyong
(College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou310018,Zhejiang,China)

Gas mixing flow in willow leaf-like static mixer was studied on both velocity and concentration field.The experimental results showed that deviations of velocity and concentration fields were reached to ideal range and were better than those of national standards.CFD simulation on the mixer flow field exhibited good consistencies in numerical values and distribution of concentration cloud diagram between experiment and simulation.Subsequent studies showed that mixing was promoted by longitudinal and hairpin vortices appeared in tailing wake zone of the mixing element.When gas was passing through the mixing element,a high turbulent flow energy dissipation region formed by turbulence-induced increase of kinetic energy dissipation rate could drive much frequent material transfer.Flow resistance of the entire static mixer also occurred mainly in this high energy dissipation region.To some extent,back mixing after the high energy dissipation region strengthened mixing effect.

willow leaf-like; airflow back mixing; flow mixing characteristics; mixing; static mixer

TK 223.1

A

0438—1157（2017）12—4600—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20170755

2017-06-12收到初稿， 2017-09-12收到修改稿。

聯(lián)系人：閆志勇。

傅鑫亮（1992—），男，碩士研究生。

浙江省自然科學(xué)基金項目（Y14E060025）。