某靜態(tài)混合器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及壓降特性數(shù)值模擬

張慧宇，張惟斌,2，韓宇明，衡亞光,2，江啟峰,2*，G·博華,2

（1. 西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039；2. 西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039）

孔盤式靜態(tài)混合器是一種新型高效的混合設(shè)備，被廣泛地運(yùn)用于多相流的混合、反應(yīng)、分散、傳質(zhì)和傳熱，在核能、化學(xué)、原子能、航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛存在。通過各層塞孔強(qiáng)化相間相互作用[1]，實(shí)現(xiàn)氣液相混合，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、無液泛，對于相際傳質(zhì)的氣液兩相體系的混合操作具有良好的應(yīng)用前景。但是，由于氣液兩相流流動(dòng)過程中的不確定性，以及兩相間界面效應(yīng)的存在[2]，且相界面的狀態(tài)、形狀和相介質(zhì)的分布不但隨空間、時(shí)間的變化而變化，還隨含氣率、管道幾何尺寸和管道的空間內(nèi)置元件等因素而改變，同時(shí)相間還出現(xiàn)不可忽略的滑移速度，致使流動(dòng)特性變得更加復(fù)雜。

在評價(jià)靜態(tài)氣液混合器時(shí)，壓降是決定傳質(zhì)傳熱效果的主要參數(shù)之一，通過觀測壓降的大小可以判斷出能耗的高低[3]。目前，對于氣液混合器流體動(dòng)力學(xué)研究主要集中于SK、SMV 和SMX 型[4 ? 9]，其中的氣液流動(dòng)模式和接觸方式與堆疊孔盤有較大區(qū)別，而針對孔盤式的氣液混合流動(dòng)含氣率對壓降的影響研究較少。與孔盤相關(guān)的研究主要集中于氣液兩相流通過管道內(nèi)孔板的阻力系數(shù)與孔板參數(shù)的問題。余冬梅等[10]研究了多孔孔板水力空化裝置的阻力特性，發(fā)現(xiàn)不同孔板的阻力系數(shù)與該孔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)有很大的關(guān)系。白兆亮[11]針對有壓輸水管相鄰孔板間距局部阻力進(jìn)行了試驗(yàn)，并用相鄰影響系數(shù)對傳統(tǒng)計(jì)算公式進(jìn)行了修正。盧曉江[12]試驗(yàn)研究了不同開孔率的多孔孔板水力空化，結(jié)果顯示單個(gè)多孔孔板阻力系數(shù)隨著流量的增加，有增長的趨勢但變化幅度不大，隨著開孔率的增加，管路的阻力系數(shù)明顯減小。

本文從設(shè)計(jì)應(yīng)用出發(fā)，在涵蓋工程實(shí)際應(yīng)用的氣液流量范圍內(nèi)，運(yùn)用流體力學(xué)計(jì)算軟件CFX 對孔盤式靜態(tài)混合器內(nèi)不同氣液比下氣液兩相流的壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同雷諾數(shù)對孔盤式靜態(tài)混合壓降的影響，旨在為工程應(yīng)用中孔盤式靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 孔盤式靜態(tài)混合器計(jì)算模型簡介

1.1 靜態(tài)混合器計(jì)算區(qū)域及參數(shù)設(shè)置

本文研究的某孔盤式靜態(tài)混合器主要由器頂封頭、孔盤組、整流元件以及器釜組成。其中孔盤組由5 塊直徑為500 mm、高5 mm 的不銹鋼孔盤等間距堆疊組成的圓形蜂窩結(jié)構(gòu)，盤間由直徑為10 mm、圓心間距為15 mm 的交錯(cuò)式通孔組成。器釜上部分別設(shè)有氣體進(jìn)口(40 mm)和液體進(jìn)口(100 mm)，下部設(shè)氣液混合出口。氣液混合按一定的比例依次通過以上4 個(gè)元件，經(jīng)各相混合后，流體從器釜底部出口排出。混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

選擇4 種不同的網(wǎng)格單元數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，每種網(wǎng)格均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來離散計(jì)算域并對孔盤進(jìn)行加密處理，如圖2 所示，4 種不同的網(wǎng)格單元數(shù)如表1 所示。由于主要研究孔盤式靜態(tài)混合器內(nèi)氣液兩相流含氣率對壓降的影響，因此通過4 個(gè)算例中混合器進(jìn)出口壓差對比，來確定適合的網(wǎng)格單元數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)由6 761602 增加到7266908，進(jìn)出口壓差的相對變化率為3.3%，此時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)?？紤]到時(shí)間成本和計(jì)算機(jī)資源，本文采用計(jì)算域網(wǎng)格單元數(shù)為6761602。

圖 1 混合器結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 計(jì)算域三維水體網(wǎng)格模型

表 1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算域內(nèi)邊界條件設(shè)置如下：相對壓強(qiáng)為1atm，介質(zhì)為水和空氣（25℃）。氣相和液相進(jìn)口均采用速度入口且流動(dòng)方向均垂直于進(jìn)口邊界，計(jì)算工況如表2 所示。出口邊界條件為?10 Pa，方向垂直于出口邊界。壁面采用無滑移邊界條件。

表 2 混合器計(jì)算工況參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值計(jì)算采用基于SST（Shear Stress Transport）模型的k-ω方程。該模型考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳輸，可以精確預(yù)測流動(dòng)的開始和負(fù)壓梯度條件下流體的分離量。SST 模型最大的優(yōu)點(diǎn)在于考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會(huì)對不同氣液比下渦流黏度造成過度預(yù)測。

湍動(dòng)能方程：

式中，各式系數(shù)根據(jù)Φ=F1?kw+(1?F1)?kε計(jì)算，即各系數(shù)為k-ω模型和修正k-ε模型相應(yīng)系數(shù)的線性比例組合。

其傳輸行為可由包含限制數(shù)的渦流黏度方程求得

式中：F2為混合函數(shù)，由于模型中的假設(shè)不適用于自由剪切流動(dòng)，該值確定了其限制范圍；S為應(yīng)變速度的不變量[13]。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 混合器內(nèi)速度分布

圖3 為水流量90 m3/h、空氣流量10 m3/h 條件下水的軸面速度分布云圖。兩相流在進(jìn)入靜態(tài)混合器時(shí)，水的速度高于空氣的速度，在黏性力的作用下，隨著空氣和水的混合，液相速度降低，氣相速度增加，最終兩相的速度趨于一致。

圖 3 混合器內(nèi)速度分布圖

從圖3（a）可以看出，在各級孔盤的相對上游，液體流速較小，當(dāng)流體流經(jīng)孔盤時(shí)，速度急劇增大，在各級孔盤的相對下游流速快速減小。其中孔盤上最大平均流速位于第3 孔盤。從圖3（b）可以看出，最大流速水為2.46 m/s，氣為3.44 m/s。孔盤的節(jié)流作用導(dǎo)致通孔內(nèi)流速急劇升高，形成射流現(xiàn)象，并在節(jié)流孔盤相對下游形成了較大尺寸的渦流，但在一定程度上增加了氣液兩相流在器釜中的滯留時(shí)間，使兩相流進(jìn)行了相對充分的混合。

2.2 混合器內(nèi)湍動(dòng)能特性

圖 4 混合器內(nèi)湍動(dòng)能分布圖

圖4（a）示出總流量100 m3/h、體積流含液率90%時(shí)靜態(tài)混合器湍動(dòng)能沿軸線變化。由圖4（a）可以得出：由于流體在孔盤通孔小截面流動(dòng)中，雷諾數(shù)較小，水被層流化，導(dǎo)致流體的脈動(dòng)速度??；當(dāng)流體流出通孔后，壓力變化大，流體在側(cè)面的邊界上與環(huán)境的流體之間形成了強(qiáng)烈的剪切，促使了流體流動(dòng)的不穩(wěn)定，在剪切層的粘性作用下降低射流外層流體的速度，同時(shí)也使環(huán)境中的流體運(yùn)動(dòng)起來；在高雷諾數(shù)的情況下，剪切層進(jìn)一步轉(zhuǎn)捩為湍流，使得流體通過孔盤后的湍動(dòng)能比流體在孔盤中通孔的湍動(dòng)能大。圖4（b）為總流量100 m3/h、不同氣液比下混合器內(nèi)沿軸線徑向各面的湍動(dòng)能分布圖。由圖4（b）可以看出，在不同的氣液比下湍動(dòng)能沿軸線徑向方向的變化趨勢基本相同。流體在進(jìn)入混合器經(jīng)過每一個(gè)孔盤后，由于孔盤間壓差變化不大(如圖5（a）所示)，對流體的流態(tài)擾動(dòng)小，流體的湍動(dòng)能在孔盤間沿程降低。

2.3 混合器內(nèi)的壓降特性

雷諾數(shù)是一種可用來表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，其公式為

式中：Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；L為特征長度，m。

計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)參數(shù)中黏度和速度均采用加權(quán)平均[6]，即：

式中：αg為氣體體積分?jǐn)?shù)；αl為液體體積分?jǐn)?shù)；ug為氣體速度，m/s；ul為液體速度，m/s；μg為氣體動(dòng)力粘度，Pa·s；μl為液體動(dòng)力粘度，Pa·s。

體積流含液率為90%時(shí)，混合器軸面壓力分布如圖5（a）所示。從圖5（a）可知，在每第一級孔盤相對上游，由于孔盤間距離較短，沿程流阻較小，所以每一級孔盤間壓力基本不變。沿著流體流動(dòng)的方向，在節(jié)流孔盤區(qū)域，由于節(jié)流孔盤的節(jié)流作用，強(qiáng)化了孔盤附近流體能量的耗散，導(dǎo)致了大部分靜壓轉(zhuǎn)化為熱能，使得壓力急劇減小，形成了壓力階梯式下降的現(xiàn)象。

在保持總流量不變的情況下，通過改變氣液兩相流的入口速度來改變氣液比和雷諾數(shù)。在等距離沿軸向徑向方向檢測各個(gè)截面上的平均壓力，不同氣液比和雷諾數(shù)下混合器內(nèi)各截面壓降沿軸線方向的變化如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，在不同氣液比下混合器內(nèi)壓降變化趨勢基本一致，當(dāng)體積流含液率大于50%時(shí)，器釜徑向各截面壓力均大于25 ℃時(shí)所對應(yīng)水的飽和蒸汽壓力3 169 Pa，沒有發(fā)生空化現(xiàn)象。隨著雷諾數(shù)的增大，體積流含液率增大，器釜徑向各截面的壓力也相對增大且總壓降在增大。在雷諾數(shù)低的混合器中，壓降變化小，在雷諾數(shù)高的混合器中，壓降變化大，在每個(gè)相同結(jié)構(gòu)的孔盤上局部壓降基本相等。因此，總的局部壓降可以認(rèn)為是單個(gè)相同結(jié)構(gòu)孔盤的局部壓降與元件數(shù)的乘積。

圖 5 混合器內(nèi)壓強(qiáng)分布圖

3 結(jié) 論

本文采用對一種具有孔盤式結(jié)構(gòu)的靜態(tài)混合器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了該設(shè)備內(nèi)部流場的流動(dòng)與壓降規(guī)律，得到下面的結(jié)論。

1）靜態(tài)混合器內(nèi)沿軸線的徑向速度和湍動(dòng)能分布顯示，該設(shè)備對氣液兩相流在混合器中的流動(dòng)混合具有促進(jìn)作用，這樣的促進(jìn)作用是由孔盤的結(jié)構(gòu)決定的，流體進(jìn)入孔盤后，通過各層通孔強(qiáng)化相間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了氣液混合。

2）靜態(tài)混合器內(nèi)每個(gè)相同結(jié)構(gòu)的孔盤上局部壓降基本相等，因此總的局部壓降可以認(rèn)為單個(gè)相同結(jié)構(gòu)孔盤的局部壓降與元件數(shù)的乘積。

3）靜態(tài)混合器內(nèi)氣液兩相流的壓降隨雷諾數(shù)、體積含液率的增大呈明顯增大趨勢，當(dāng)雷諾數(shù)大于268 425 時(shí)，兩相流在混合器中壓降更加顯著。