兩種混合單元混合機(jī)理的數(shù)值模擬

石怡帆，查正清，龔 兵，段 云

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

乳化炸藥是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的新型抗水工業(yè)炸藥，因其具有優(yōu)良的爆炸性能和抗水性能、生產(chǎn)和使用安全性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外工程爆破領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。全靜態(tài)乳化器是制備乳化炸藥生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，也是決定乳膠基質(zhì)性能的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的乳化工藝是采用攪拌法，通過(guò)不斷對(duì)液體做功，使油相與水相進(jìn)行高速剪切、混合，從而形成油包水型的乳膠基質(zhì)。新型的全靜態(tài)乳化器沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械密封元件，借助于流體通路的不同結(jié)構(gòu)使油相與水相達(dá)到混合的目的[2]，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，全靜態(tài)乳化器生產(chǎn)更加安全高效，具有廣闊的發(fā)展空間。

制備乳化炸藥的全靜態(tài)乳化器是一種采用噴射結(jié)構(gòu)和混合單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)油相與水相在多管路中逐級(jí)乳化，最終形成油包水型乳膠基質(zhì)的設(shè)備(見(jiàn)圖1)[3]。其過(guò)程是，油相水平進(jìn)入乳化器，水相通過(guò)管壁的噴射孔射流進(jìn)入，通過(guò)內(nèi)部混合結(jié)構(gòu)達(dá)到乳化的目的。不同構(gòu)造的全靜態(tài)混合器，其性能方面也有一定的差異。由于靜態(tài)混合單元是影響乳化器性能的重要因素之一，因此筆者擬采用流體模擬仿真技術(shù)的群體平衡模型，對(duì)常用的SV型和SX型混合單元在全靜態(tài)乳化器內(nèi)的混合機(jī)理進(jìn)行研究分析，并且根據(jù)分散相的索特平均直徑對(duì)SV型和SX型混合單元的乳化能力進(jìn)行比較。

圖1 全靜態(tài)乳化器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the full static emulsifier

1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

考慮到全靜態(tài)乳化器模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和網(wǎng)格質(zhì)量的要求，幾何模型取乳化器的部分作為分析對(duì)象，包括單個(gè)SV型和SX型混合單元的一小節(jié)(見(jiàn)圖2)。模型總長(zhǎng)200 mm，管徑50 mm，油相入口直徑16 mm，水相與水平軸線呈45°夾角，入口直徑3 mm。其中SV型混合單元由交替重疊的斜波紋板組成，波紋傾角45°，三角形頂角60°，波紋深度取6.25 mm[4]；SX型混合單元由互相交叉的橫條組成，橫條與管殼的軸線成45°。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

使用Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)混合單元區(qū)域使用加密的四面體網(wǎng)格，非混合單元區(qū)域使用六面體網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)系驗(yàn)證，最終網(wǎng)格最小尺寸取1.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)175萬(wàn)。

2 數(shù)值模型

2.1 群體平衡模型

群體平衡模型(PBM模型)是描述多相流體系中分散相的尺寸大小及分布程度隨時(shí)間和空間變化的通用方程模型,考慮到顆粒的聚并與破碎等對(duì)顆粒大小、分布等影響，可以用該模型較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)液液乳化的流場(chǎng)和分散相液滴的大小和分布[5-6]。PBM模型中分散相液滴尺寸的大小分布一般通過(guò)索特平均直徑d32進(jìn)行預(yù)測(cè)：

(1)

式中：ni為第i組液滴直徑為di的數(shù)量。

選用PBM模型的Discrete方法[7-8]，將分散相液滴直徑分為9個(gè)尺寸區(qū)間，通過(guò)模擬仿真計(jì)算可以得出流體經(jīng)過(guò)SV型和SX型混合單元后液滴直徑在9個(gè)區(qū)間的分布情況?？紤]到乳化器內(nèi)液滴的破碎與聚合，選取PBM模型中的Lehr破碎模型與Turbulent聚合模型[9-10]。

2.2 兩相流模型和邊界設(shè)置

兩相流模型選取Mixture多相流混合模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在工作壓力和制備溫度下，油相和水相材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 油相與水相物性參數(shù)

邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口。設(shè)置乳化器產(chǎn)能6 t/h，計(jì)算得到油相入口速度0.6 m/s，水相入口速度20 m/s。

2.3 模型分析

在制備乳膠基質(zhì)時(shí)，流體的溫度、粒子大小及分布和黏度是衡量乳化效果最重要的性能參數(shù)。由于制備過(guò)程中乳化器內(nèi)溫度變化小，此處忽略溫度的影響。同時(shí)，乳膠基質(zhì)的粒徑大小和黏度遵循以下的關(guān)系：

(2)

式中：η為流體黏度；dm為平均液滴直徑；x和c為常數(shù)。

這是因?yàn)楫?dāng)水相粒徑減小時(shí)，液滴的界面面積和液滴間的相互作用隨之增加，流體的黏度就越大。因此通過(guò)PBM模型將水相的索特平均直徑d32作為衡量SV型和SX型混合單元乳化效果的參數(shù)，結(jié)合流體在SV型和SX型混合單元內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)對(duì)混合單元的混合機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)流體經(jīng)過(guò)SV型和SX型混合單元后的水相粒徑分布對(duì)混合單元的乳化效果進(jìn)行比較分析。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 SV型和SX型混合單元混合機(jī)理

1)SV型混合單元混合機(jī)理。流體在波紋板折角處的流速最大，從管中心至管壁速度逐漸減小，并且流體流速分布隨著截面形狀的變化而變化(見(jiàn)圖3)。

圖3 流體在SV型混合單元不同截面的速度云圖和速度矢量Fig.3 Velocity cloud and velocity vector of fluid in different sections of SV mixing unit

結(jié)合速度云圖與矢量，上下相鄰兩塊波紋板之間形成了許多相對(duì)錯(cuò)開的小三角單元，在每個(gè)小三角單元內(nèi)流體沿波紋板方向流動(dòng)，當(dāng)波紋板沿軸線向左偏移45°時(shí)，流體在單元內(nèi)逆時(shí)針流動(dòng)，波紋板向右偏移時(shí)順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)，形成了如箭頭所示的渦流，并且渦流隨著波紋板截面的變化而不斷變化，最終達(dá)到油水相混合的目的。

2)SX型混合單元混合機(jī)理。由于不同截面的橫條位置不同，流體在流動(dòng)過(guò)程中被不斷的分割，隨著速度的重新分布，流體位置發(fā)生移動(dòng)。并且流體在橫條附近的速度最大(見(jiàn)圖4)。

圖4 流體在SX型混合單元不同截面的速度云圖和速度矢量Fig.4 Velocity cloud and velocity vector of fluid in different sections of SX mixing unit

在速度矢量圖中，流體在上、下相鄰2排橫條間的流動(dòng)方向由橫條與軸線偏移的方向決定，當(dāng)橫條在軸線左45°時(shí)流體向左流動(dòng)，反之向右流動(dòng)。由于流體的反向分層流動(dòng)，使得流體在橫條交錯(cuò)的地方產(chǎn)生渦流，在剪切的作用下油水相間互相混合。

根據(jù)以上分析可以得出，SV型和SX型混合單元的混合機(jī)理是由于波紋板和橫條的存在，使流體的流動(dòng)方向改變并產(chǎn)生渦流，同時(shí)渦流也會(huì)隨著混合單位截面的變化產(chǎn)生位置的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)油水相的混合。由此可以得出，適當(dāng)增加SV型混合單元的波紋板數(shù)量和SX型混合單元橫條的數(shù)量，可以提高油水相的混合程度。

3.2 水相索特平均直徑d32分布的比較

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，流體經(jīng)過(guò)單個(gè)SX和SV型混合單元后水相索特平均直徑d32的分布如表2所示，在混合單元內(nèi)粒徑較大的液滴會(huì)被分割成小液滴，同時(shí)小液滴也會(huì)相互碰撞聚合成較大液滴，流體經(jīng)過(guò)單個(gè)SX型和SV型混合單元后水相液滴尺寸主要分布在0.1～0.5 mm。其中小于0.5 mm粒徑的液滴SV型的占92%，而SX型占83.5%，說(shuō)明相較于SX型混合單元，流體經(jīng)過(guò)SV型混合單元后水相的粒徑更小，流體黏度更大，乳化能力也更強(qiáng)。流體在多個(gè)SV型混合單位的乳化作用下，油水相逐漸形成穩(wěn)定的乳膠基質(zhì)。

表2 流體經(jīng)過(guò)SX型和SV型混合單元后水相的d32分布

3.3 壓降的比較

流體沿SX型和SV型混合單元流動(dòng)的壓力如圖5所示，流體經(jīng)過(guò)混合單元時(shí)壓力基本呈線性分布，計(jì)算得SX型混合單元軸向單位長(zhǎng)度的壓降為152 Pa/mm，SV型軸向單位長(zhǎng)度壓降為260 Pa/mm，這是因?yàn)榱黧w與SV型混合單元的接觸面積比SX型大，在流動(dòng)過(guò)程中由于摩擦作用消耗的能量更多。

圖5 流體沿SX型和SV型混合單元流動(dòng)的壓力曲線Fig.5 Pressure curve of fluid along SX type and SV type mixing unit

4 結(jié)論

1)混合機(jī)理是流體通過(guò)SV型與SX型混合單元時(shí)流動(dòng)方向改變，并在流場(chǎng)內(nèi)形成大量的漩渦，從而實(shí)現(xiàn)流體的混合，同時(shí)渦流也會(huì)隨著混合單元截面的變化產(chǎn)生位置的移動(dòng)。

2)流體經(jīng)過(guò)SV型混合單元后水相的索特平均直徑d32比SX型混合單元小，對(duì)應(yīng)流體黏度更大，得出SV型混合單元的乳化效果更強(qiáng)。

3)流體在流經(jīng)SV型混合單元時(shí)軸向單位長(zhǎng)度的壓降比SX型混合單元大，消耗的能量更多。