新型靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬及優(yōu)化

劉 晨,崔 醒,尹德明,曹萬秋,孫勝仁

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動部件的混合設(shè)備,通過在管道內(nèi)加入靜止元件(如葉片),使流體不斷地分流、撞擊、旋轉(zhuǎn)、合流,從而實(shí)現(xiàn)對流體的充分混合。靜態(tài)混合器被譽(yù)為是一種“雖然非常簡單,卻能發(fā)揮巧妙作用”的工業(yè)元件,廣泛應(yīng)用于化工、石油、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等行業(yè)。

在氧化鋁生產(chǎn)過程中,靜態(tài)混合器應(yīng)用于赤泥的沉降分離工序,其主要作用是對高固含的底流和低濃度的溢流進(jìn)行充分混合,二者混合后的均勻程度直接影響了赤泥的沉降分離效率。隨著氧化鋁廠單線產(chǎn)能的提高及礦石成分的變化,底流固含不斷提高,對靜態(tài)混合器的混合能力提出了更高要求。

本文提出一種混合能力強(qiáng)、壓力損失小、易于加工及維護(hù)的靜態(tài)混合器,并采用計算流體動力學(xué)(ComputationalFluidDynamic,CFD)的方法對其進(jìn)行數(shù)值模擬及尺寸優(yōu)化。

1 模型與計算方法

1.1 物理模型

現(xiàn)有靜態(tài)混合器由四扇半圓形葉片組成,其三維模型如圖1(a)所示。葉片沿管道軸向均勻分布,相鄰葉片間夾角90°。本文所提出的靜態(tài)混合器由兩種形狀各異、大小不同的葉片組成,其三維模型如圖1(b)所示。

圖1 靜態(tài)混合器三維模型

基于實(shí)際工況,對靜態(tài)混合器的三維模型進(jìn)行合理簡化,忽略中心固定軸及葉片厚度對流場的影響,將葉片視為無厚度壁面,建立計算流體域如圖2所示,其中圖2(a)為現(xiàn)有靜態(tài)混合器;圖2(b)為新型靜態(tài)混合器。溢流為鋁酸鈉溶液,底流為赤泥顆粒與鋁酸鈉溶液組成的固液混合物。工作過程中,底流與溢流沿各自入口流入管道中,經(jīng)過靜態(tài)混合器的作用后,沿同一出口流出管道,實(shí)現(xiàn)均勻混合的目的。

圖2 計算流體域

1.2 基本假設(shè)

計算流體域內(nèi)主要包含赤泥顆粒和鋁酸鈉溶液,為典型的固液兩相流。本文在保證求解精度和反應(yīng)主要規(guī)律的前提下,做出如下假設(shè):

(1)介質(zhì)為連續(xù)、不可壓縮流體;

(2)流體域內(nèi)溫度恒定,不考慮能量傳遞;

(3)赤泥顆粒為均勻的球形顆粒;

(4)不考慮壓力對流體粘度的影響,流體粘度為常數(shù);

(5)考慮重力、浮力和流體間曳力。

1.3 控制方程

基于上述假設(shè),湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型,則靜態(tài)混合器計算流體域的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、湍動能κ方程、湍動能耗散率ε方程,如下所示:

連續(xù)性方程:

(1)

動量方程:

(2)

湍動能κ方程::

(3)

湍動能耗散率ε方程:

(4)

式中:ρ——固相或液相的密度,kg/m3;

U——固相或液相的速度,m/s;

F——固相與液相間的曳力,kg/(m2·s2);

g——重力加速度,m/s2;

μe——有效湍動粘度μe=μ+μt,

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能κ的產(chǎn)生項(xiàng),kg/(m·s3);

Gb——由浮力引起的湍動能κ的產(chǎn)生項(xiàng),kg/(m·s3);

c1ε、c2ε、cμ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值為c1ε=1.44、

c2ε=1.92、cμ=0.09;

σκ——與湍動能κ對應(yīng)的Prandtl數(shù),σκ=1.0;

σε——與耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù),σε=1.3。

1.4 邊界條件

溢流全為鋁酸鈉溶液,密度1059 kg/m3,流速1.83 m/s。底流為鋁酸鈉溶液與赤泥顆粒的混合物,固含575 g/L,赤泥顆粒密度3000 kg/m3,對應(yīng)體積分?jǐn)?shù)19.17%,流速1.63 m/s。出口采用壓力出口,初始壓力0 MPa,參考壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面采用無滑移壁面,在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 混合效果分析

混合效果是衡量靜態(tài)混合器性能好壞的重要指標(biāo),通過分析料漿中赤泥顆粒的分布狀態(tài),可以判斷靜態(tài)混合器的混合效果?；谏鲜瞿Ｐ图胺椒?分別對現(xiàn)有靜態(tài)混合器和新型靜態(tài)混合器進(jìn)行數(shù)值模擬,為更加直觀體現(xiàn)靜態(tài)混合器的作用,對相同工況下、無靜態(tài)混合器的管道進(jìn)行數(shù)值模擬。因?yàn)榈琢髋c溢流經(jīng)靜態(tài)混合器作用后沿同一出口流出,所以出口平面赤泥顆粒的分布狀態(tài)即可表征料漿中赤泥顆粒的分布狀態(tài)。圖3所示為出口平面赤泥顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖,其中圖3(a)為新型靜態(tài)混合器;圖3(b)為現(xiàn)有靜態(tài)混合器;圖3(c)為無靜態(tài)混合器的管道。

圖3 出口平面赤泥顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖

分析可知,對于無靜態(tài)混合器的管道,料漿中的赤泥顆粒表現(xiàn)出明顯的沉降分層現(xiàn)象,大部分赤泥顆粒在重力作用下沉積在管道底部。現(xiàn)有靜態(tài)混合器對底流和溢流進(jìn)行了一定程度的混合,但仍可以觀察到明顯的分層現(xiàn)象。新型靜態(tài)混合器對底流和溢流進(jìn)行了充分混合,赤泥顆粒在料漿中均勻分布,無明顯分層現(xiàn)象。由此可見,新型靜態(tài)混合器具有更強(qiáng)的混合能力。

2.2 流動性分析

料漿在通過靜態(tài)混合器時,通常會發(fā)生分流、撞擊、旋轉(zhuǎn)、合流,若靜態(tài)混合器內(nèi)葉片結(jié)構(gòu)及分布不合理,會導(dǎo)致流場中存在死區(qū),料漿進(jìn)入死區(qū)后無限循環(huán),無法流出。死區(qū)所占有的空間無法被利用,造成不必要的浪費(fèi),且死區(qū)中的料漿往往流速較低,更易結(jié)疤。因此,有必要研究新型靜態(tài)混合器中是否存在死區(qū)以判斷其是否容易結(jié)疤。圖4所示為新型靜態(tài)混合器流線圖,可以看出,料漿在新型靜態(tài)混合器內(nèi)依次發(fā)生了分流、旋轉(zhuǎn)、撞擊、合流,所以底流和溢流能夠充分混合。新型靜態(tài)混合器內(nèi)不存在死區(qū)且料漿整體流速較高,所以新型靜態(tài)混合器流動性較好且不易結(jié)疤。

圖4 新型靜態(tài)混合器流線圖

2.3 葉片尺寸優(yōu)化

新型靜態(tài)混合器由兩種葉片組成,葉片一具有整流作用,尺寸及安裝角依據(jù)混合器管道直徑相對固定。葉片二具有混合作用,尺寸不固定,尺寸大小影響著混合效果和壓降。因此,有必要對葉片二的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以進(jìn)一步提升新型靜態(tài)混合器的綜合性能。葉片二為扇形結(jié)構(gòu),圓心角的大小決定了葉片整體尺寸。本文設(shè)計了三種扇形葉片,各葉片的圓心角分別為15°、30°、45°,依次對應(yīng)圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)。

圖5 具有不同圓心角的葉片二平面圖

同樣基于上述模型及方法,對不同尺寸的葉片進(jìn)行數(shù)值模擬及結(jié)果后處理,得到出口平面赤泥顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別對應(yīng)圓心角15°、30°、45°。從圖中可以看出,當(dāng)葉片二圓心角為15°時,出口平面產(chǎn)生了輕微分層現(xiàn)象,當(dāng)葉片二圓心角為30°和45°時,赤泥顆粒在料漿中均勻分布,無明顯分層現(xiàn)象。由此可見,當(dāng)葉片二圓心角達(dá)到30°時,新型靜態(tài)混合器具有很好的混合能力,若繼續(xù)擴(kuò)大葉片二圓心角,不會進(jìn)一步提升混合能力,且更大的葉片尺寸會增加管道流體阻力及材料成本。

圖6 不同葉片對應(yīng)的出口平面赤泥顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖

為進(jìn)一步分析葉片二尺寸對流場的影響,這里研究了不同尺寸導(dǎo)致的壓力損失,即料漿流經(jīng)靜態(tài)混合器的壓降。表1所示為不同葉片二圓心角對應(yīng)的靜態(tài)混合器壓降?？梢钥闯?圓心角越大,靜態(tài)混合器壓降越大,這是因?yàn)槿~片尺寸隨圓心角增大而增大,大尺寸葉片對料漿產(chǎn)生更大的阻力,管道直徑相同,阻力增大導(dǎo)致壓強(qiáng)增大,所以圓心角越大,靜態(tài)混合器壓降越大。

表1 不同葉片二圓心角對應(yīng)的靜態(tài)混合器壓降

綜合前述分析可知,葉片二的最佳圓心角為30°,此時新型靜態(tài)混合器具有混合能力強(qiáng)、壓力損失小的特點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文提出一種新型靜態(tài)混合器,并基于計算流體動力學(xué)方法對不同靜態(tài)混合器的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬?；跀?shù)值模擬結(jié)果,對靜態(tài)混合器的混合效果及流動性進(jìn)行了對比分析,并對新型靜態(tài)混合器進(jìn)行了葉片尺寸優(yōu)化,得出如下結(jié)論:

(1)新型靜態(tài)混合器具有更強(qiáng)的混合能力,對于給定工況,底流和溢流經(jīng)新型靜態(tài)混合器作用后能夠充分混合,赤泥顆粒在料漿中均勻分布,無明顯沉降分層現(xiàn)象。

(2)新型靜態(tài)混合器內(nèi)部流場基本不存在死區(qū),其內(nèi)部料漿流動性較好且流速較高,不易結(jié)疤。

(3)新型靜態(tài)混合器由兩種葉片組成,葉片二的最佳圓心角為30°,此時新型靜態(tài)混合器具有混合能力強(qiáng)、壓力損失小的特點(diǎn)。