攪拌器表面粗糙度對攪拌性能影響的實驗研究*

付雙成,李蘆雨,付 飛,張 祥,劉晨曦

(1.常州大學 機械與軌道交通學院,江蘇 常州 213164;2.江蘇省綠色過程裝備重點實驗室,江蘇 常州 213164;3.樹優(yōu)(寧波)科技有限公司,浙江 寧波 315043)

0 引 言

目前,攪拌器在石油、化工、食品等行業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛應用。

國內(nèi)外對攪拌器結構的優(yōu)化研究有很多,在對攪拌器進行優(yōu)化設計時,主要集中在對葉片結構形狀的改變上[1-3]。設計時未考慮攪拌器表面粗糙度帶來的影響,將攪拌器葉片表面做成光滑表面。

與高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機械不同,攪拌器攪拌過程流速較低,其目的是增加流體的流動促進混合,以實現(xiàn)流體的均勻混合。改變其葉片表面粗糙度,能夠改變?nèi)~片表面流體邊界層流動特征與流體的隨動,從而改變其混合效果。

針對葉輪機械葉片表面粗糙度問題,學者們已做了很多研究工作。對表面粗糙度影響的研究可分為兩類,即對整體位置粗糙度的影響和對局部位置粗糙度的影響。

在對整體位置粗糙度的研究中,SOLTANI M R等人[4]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),粗糙度能顯著降低風力機的性能,并能夠推遲風力機失速現(xiàn)象的發(fā)生。在對結冰翼型空氣動力學進行研究時,BRAGG M B等人[5]的研究結果表明,升力系數(shù)最大值的減小量依賴于其粗糙度的大小以及其位置。BAI T等人[6]對渦輪機葉片表面粗糙度的研究表明,粗糙度引起的氣動性能損失還會受到雷諾數(shù)的影響。

在局部位置粗糙度的研究中,王娜等人[7]研究了粗糙帶破損對翼型氣動特性的影響,她們的研究發(fā)現(xiàn),翼型前緣7%位置3 mm寬的金剛砂粗糙帶破損后,會使激波位置出現(xiàn)小幅度的移動,而后緣壓力分布所受影響較小。MARZABADI F R等人[8]在研究前緣粗糙度對振蕩翼型邊界層轉(zhuǎn)捩的影響時發(fā)現(xiàn),導邊粗糙度會使轉(zhuǎn)捩點向?qū)н呉苿?使其分離提前發(fā)生,效率降低。

上述研究都是基于氣體介質(zhì)工況開展的。而對于液體介質(zhì)工況下,設備表面粗糙度的相關研究報導甚少。

針對攪拌器使用過程中,出現(xiàn)槳葉表面磨損、顆粒黏附等造成表面粗糙度增加的問題,筆者采用實驗的方法,對不同粗糙元位置和粗糙度大小條件下,液體的混合時間及攪拌軸扭矩進行測試,分析不同轉(zhuǎn)速條件下,槳葉表面粗糙度對混合特性及能耗的影響規(guī)律,為故障診斷及操作優(yōu)化提供參考。

1 理論分析

在攪拌過程中,攪拌器推動流體流動,流體相對于攪拌器進行繞流流動,在攪拌器葉片表面形成邊界層。

邊界層分離發(fā)生的根本原因是壁面的阻滯與流體的黏性。葉片表面粗糙度發(fā)生改變實質(zhì)上就是改變了其邊界層結構,進而影響到流場特征。因為壁面的阻滯源于壁面粗糙度,所以壁面粗糙度改變勢必會對邊界層分離產(chǎn)生影響,從而影響流場。

對于考慮壁面粗糙度的壁面上流體流動,筆者采用經(jīng)修正的時均速度壁面律公式,即[9]:

(1)

(2)

式中:Ks—實際粗糙度高度。

對于均勻的沙粒型粗糙度,Ks可直接取顆粒高度;對于非均勻的沙礫型的粗糙度,Ks可取其平均粒徑D50。

2 實驗條件和方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置(攪拌實驗臺)如圖1所示。

圖1 攪拌實驗臺1—扭矩耦合器;2—攪拌軸;3—擋板;4—攪拌槽;5—UImeter電壓表6—攪拌器;7—可升降式攪拌槽平臺;8—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器手持終端;9—攪拌槽平臺升降調(diào)節(jié)手輪;10—驅(qū)動電機

圖1中的實驗裝置由電機、攪拌軸、攪拌器、可升降式攪拌槽、擋板等部件組成。其中,攪拌軸直徑Da=25 mm,推進式攪拌器型號為TXL150-20;攪拌槽由透明有機玻璃制成,在實驗過程中可觀察槽內(nèi)流體的流動情況;封頭為橢圓形封頭,筒體內(nèi)徑D=300 mm,封頭深度Lh=100 mm;4塊擋板均勻布置在攪拌槽四周,擋板寬度Wb=15 mm,擋板下端離底高度Hb=140 mm。

實驗中,攪拌軸在電機的帶動下轉(zhuǎn)動,通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器手持終端調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。根據(jù)實驗設備性能,筆者確定其轉(zhuǎn)速范圍為n=120 r/min-600 r/min;攪拌器離底高度可通過手動調(diào)節(jié)攪拌槽高度進行調(diào)節(jié),實驗中攪拌器離底高度為150 mm;在攪拌槽中加入清水,深度Lw=350 mm;在攪拌軸上安裝有扭矩耦合器,可測量出攪拌扭矩信號并將經(jīng)過處理后的信號以扭矩形式輸出。

2.2 葉片表面粗糙度設置

在研究葉輪機械葉片表面粗糙度時,通常采用在葉片表面設置粗糙元的方法,以此來改變?nèi)~片表面的粗糙度,這些粗糙元包括砂紙、金剛砂等。筆者對比研究微觀粗糙元和宏觀粗糙元。

實驗所用攪拌器葉片表面粘貼有粗糙元,如圖2所示。

圖2 葉片表面粘貼有粗糙元的攪拌器

微觀粗糙元采用砂紙,即通過在攪拌器葉片表面粘貼砂紙來設置葉片表面的粗糙度。實驗中筆者采用了3種目數(shù)的砂紙:24目、36目和150目。筆者根據(jù)文獻[10]查得3種砂紙研磨顆粒粒徑分別為0.7 mm、0.4 mm和0.106 mm。砂紙表面的研磨顆粒只有一半顯露在外,葉片表面粗糙度高度Ks應取為研磨顆粒半徑,即0.35 mm、0.2 mm和0.053 mm。

此處的宏觀粗糙元采用塑料半球,在葉片表面設置宏觀粗糙元,以改變?nèi)~片表面的宏觀形態(tài),借此與微觀粗糙元進行對比分析,考察大顆粒對混合性能的影響。

塑料半球半徑有兩種規(guī)格:3 mm和4 mm,分別記為R3和R4。實驗所用攪拌器葉片表面粗糙度為0.012 5 mm,該粗糙度值非常小,因此,在實驗中筆者將該粗糙度攪拌器葉片視為光滑表面。

2.3 粗糙度位置選取

攪拌器在流體中的轉(zhuǎn)動可認為是流體在葉片表面的相對繞流,及在合適條件下的流動分離。因此,可對流體繞流和流動分離的產(chǎn)生過程進行分析,進而推測會對流動分離產(chǎn)生影響的粗糙度位置。

筆者將表面粗糙度位置分為整面位置與局部位置兩類。其中,整面位置包括全葉片表面(壓力面+吸力面)、吸力面和壓力面3種;局部位置包括吸力面導邊、吸力面葉根、壓力面隨邊、壓力面葉根和壓力面葉尖5種。

局部粗糙度具體位置如圖3所示。

圖3 局部粗糙度位置

2.4 實驗方法

2.4.1 功率

攪拌功率標志著攪拌過程中動力的投入,不僅是衡量能耗的指標,也間接反映了流體湍動情況。攪拌功率P是可以通過測量扭矩M的方法間接獲得的,其計算公式如下:

(3)

式中:P—攪拌功率,w;M—采集到的平均扭矩值,單位為Nm;n—轉(zhuǎn)速,r/min。

2.4.2 混合時間測定

粗糙度對流場產(chǎn)生的影響最終會反映到混合時間上面。

混合時間也是攪拌實驗研究中的一個重要參數(shù)?；旌蠒r間的測量方法有:電導率法[11]、溫差法[12]、pH法[13]、褪色法[14]、電阻抗斷層成像法[15]等。

此處混合時間的測量采用電導法,通過惠斯通電橋測量橋路中間的電勢差來得到混合時間。

測量電導率的惠斯通電橋如圖4所示。

圖4 惠斯通電橋電路

電源為電壓12 V直流電源,電阻R1與R2定值電阻,阻值均為10 Ω。

電壓表為UImeter如圖5所示。

圖5 UImeter電壓表

電壓測量精度為0.1 mV。實驗中設定采樣頻率為1 Hz,采用在線測量方法,將UImeter與電腦連接,通過驅(qū)動軟件記錄測量到的電壓。

測量原理為:電極1和2分別布置在測量點A(-110,0,280)和測量點B(-70,0,15)處,兩測量點分別在擋板兩側(cè),實驗時測量電路與電極均固定在內(nèi)壁面上。加入電解質(zhì)之前,A點與B點電勢相等,電壓表示數(shù)為0;加入電解質(zhì)后,測量點處電解質(zhì)濃度變化改變了電導率,電壓表的示數(shù)值也會發(fā)生改變。電解質(zhì)達到均勻分布狀態(tài)時,電壓表示數(shù)就會穩(wěn)定于0值。

實驗記錄下電壓表示數(shù)隨時間的變化過程,找出從加入電解質(zhì)到電壓表測量電壓值穩(wěn)定所需時間。實驗中所用電解質(zhì)采用NaCl,混合均勻的判定準則為加入NaCl后攪拌槽內(nèi)兩測量點間的電勢差穩(wěn)定而不再變化,電勢差達到穩(wěn)定所需時間即為混合時間。

3 實驗結果與討論

3.1 功率分析

3.1.1 不同位置粗糙度對功率的影響

實驗中,筆者將粗糙度[16，17]大小固定,即粗糙度高度Ks取固定值。實驗中采用目數(shù)相同的砂紙來固定粗糙度大小,選取24#砂紙,粗糙度高度Ks=0.35 mm。改變粗糙度位置和攪拌器轉(zhuǎn)速,分析粗糙度位置在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對攪拌功率的影響。

(1)整面粗糙度對功率的影響。

葉片整面粗糙度對功率的影響如圖6所示。

圖6 葉片表面設置整面位置粗糙度的功率

從圖6可以看出:葉片的3種整面粗糙度都會使攪拌功率增大,壓力面粗糙度的功率始終低于全葉片表面粗糙度的功率,而吸力面粗糙度的功率則呈現(xiàn)另一種情況;在120 r/min-300 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),吸力面粗糙度功率低于全葉片表面粗糙度的功率;在300 r/min-600 r/min范圍內(nèi),吸力面粗糙度功率卻與全葉片表面粗糙度功率相當。

上述結果說明,在120 r/min-300 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),吸力面粗糙度會增大壓力面粗糙度對功率的影響,二者之間能夠產(chǎn)生疊加效應,使全葉片粗糙度的功率高于二者單獨作用時的功率;在300 r/min-600 r/min范圍內(nèi),吸力面粗糙度并不會對壓力面粗糙度功率的作用產(chǎn)生明顯影響,二者之間不會產(chǎn)生疊加效應。

比較兩個單面粗糙度發(fā)現(xiàn),在120 r/min-300 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)兩者功率相等;在300 r/min-600 r/min范圍內(nèi),壓力面粗糙度功率低于吸力面粗糙度的功率。

(2)吸力面局部粗糙度對功率的影響。

吸力面局部位置設置粗糙度時的功率如圖7所示。

圖7 吸力面局部位置設置粗糙度的功率

從圖7可以看出:吸力面兩個局部位置處的粗糙度亦能影響功率,同時在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)情況也不相同。在120 r/min-300 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),吸力面導邊與吸力面葉根兩個局部位置處設置粗糙度時的功率與吸力面整面設置粗糙度時的功率大致相當;在300 r/min-600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),吸力面導邊處設置粗糙度時的功率高于吸力面葉根處設置粗糙度的功率,同時又低于吸力面設置粗糙度時的功率。

(3)壓力面局部粗糙度對功率的影響。

壓力面局部粗糙度對功率的影響曲線如圖8和圖9所示。

圖8 壓力面隨邊處粗糙度的功率

圖9 壓力面葉尖和葉根處粗糙度的功率

從圖8可以看出:與光滑葉片功率相比,壓力面隨邊處設置粗糙度時,功率并無明顯的增大或減小,說明此處設置粗糙度對功率影響較小。

從圖9可以看出:在壓力面葉尖和葉根處這兩個局部位置設置粗糙度,在多個轉(zhuǎn)速下,其產(chǎn)生的功率均略低于光滑葉片的功率,這說明壓力面葉根與葉尖位置的粗糙度能夠使攪拌功率降低;壓力面葉根處設置粗糙度可以降低功率,減小能耗。

3.1.2 粗糙度大小對功率的影響

在研究粗糙度位置影響的實驗中,筆者發(fā)現(xiàn)壓力面葉根處粗糙度和吸力面整面粗糙度對扭矩的影響較大,故選取這兩個位置設置不同粗糙度進行實驗研究。粗糙度的大小為微觀粗糙0.053 mm、0.2 mm、0.35 mm與宏觀粗糙元R3和R4。

筆者在吸力面設置大小不同的粗糙度產(chǎn)生的功率,如圖10所示。

圖10 在吸力面設置不同粗糙度時功率與轉(zhuǎn)速的關系

從圖10可以看出:在120 r/min-300 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不同的粗糙度對功率影響的差異不是很明顯,在300 r/min-600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不同粗糙度對功率影響的差異較大。這說明微觀粗糙度對扭矩的影響在低轉(zhuǎn)速時不明顯,而在高轉(zhuǎn)速時較為明顯。其中,對于0.053 mm、0.2 mm和0.35 mm這3個微觀粗糙度,粗糙度越大,相同轉(zhuǎn)速下的功率越大;

在壓力面葉根設置大小不同的粗糙度產(chǎn)生的功率如圖11所示。

從圖11可以看出:無論是微觀粗糙度還是宏觀粗糙元,其均能使攪拌功率降低,尤其是在360 r/min-600 r/min轉(zhuǎn)速下;

圖11 壓力面葉根設置不同粗糙度時功率與轉(zhuǎn)速的關系

對于3個微觀粗糙度,其值越大,功率降低比例越大;對于兩個宏觀粗糙元,二者功率大致相當。

3.2 混合時間分析

下面對原始數(shù)據(jù)進行初步處理,時間0為加入鹽的時刻。實驗結果顯示:兩測量點間電勢差在加入鹽后經(jīng)過劇增與逐漸降低后又回歸穩(wěn)定值的過程。但是,即使電勢差最終處于穩(wěn)定水平時其仍有震蕩,采用MATLAB對數(shù)據(jù)進行中值濾波處理,使數(shù)值曲線平滑光順,便于對比分析。

轉(zhuǎn)速為180 r/min工況下的電勢差如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)速180 r/min時兩測量點間電勢差與時間的關系

從圖12可以看出:光滑葉片的混合時間為7 min,其它兩種粗糙度結構的混合時間為6 min,時間縮短約14%。

轉(zhuǎn)速增加到360 r/min時,不同表面粗糙度葉片的電勢差如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)速360 r/min時兩測量點間電勢差與時間的關系

從圖13可以看出:3種結構在第4 min開始趨于穩(wěn)定,震蕩時間較長,粗糙度對于縮短混合時間影響不大。這說明較低轉(zhuǎn)速時邊界層對于流動的影響較為明顯,轉(zhuǎn)速較高時邊界層對于流動及混合的影響較小;

電勢差代表著濃度差,電勢差峰值的大小則代表著各工況下兩測量點間濃度差峰值的大小,電勢差峰值越大,則濃度差峰值越大,攪拌槽內(nèi)越不均勻,反之則越均勻,攪拌器對NaCl的對流擴散作用也越明顯。

比較圖12和圖13還可發(fā)現(xiàn):在電勢差越過峰值并處于逐漸減小的過程中時,在同一時刻所選取的葉片表面位置處設置粗糙度的電勢差大都低于光滑葉片的電勢差。這說明,葉片表面粗糙度能夠使測量點之間的濃度差快速降低。

由此可得出結論:實驗中所選取的葉片表面位置處的粗糙度能夠加快攪拌器的分散作用,從而促進混合。

4 結束語

筆者對軸流式攪拌器槳葉表面粗糙度進行了實驗研究,考察了3種微觀粗糙元和兩種宏觀粗糙元分布在槳葉整面(3種)及局部位置(5種)對混合時間及攪拌功率的影響,得到以下結論:

(1)葉片的3種整面位置表面的粗糙度能使攪拌功率增大約5%以上,吸力面葉根和吸力面導邊處的粗糙度0.35 mm能使功率增加約5%-15%;壓力面葉根與葉尖位置處的粗糙度能夠使攪拌功率略有降低。對于大小不同的粗糙度,實驗研究發(fā)現(xiàn),粗糙度越大,其對功率的影響越大,尤其是在360 r/min-600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi);

(2)在吸力面、壓力面葉根區(qū)域設置粗糙度高度為0.35 mm的粗糙度能顯著促進攪拌槽中NaCl的溶解與擴散速率。實驗研究發(fā)現(xiàn)在攪拌轉(zhuǎn)速較低180 r/min的情況下,能使混合時間縮短14%左右,當轉(zhuǎn)速增大到360 r/min時,粗糙度對混合時間影響不大。

在后續(xù)的研究中,筆者將通過改變流體黏度來研究攪拌器表面粗糙度對攪拌性能的影響。