新型氣體驅(qū)動攪拌器的數(shù)值模擬和實驗研究

孟慶元 王長軍 羅立臣

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452）

0 引 言

攪拌器在石油、化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛，一般分為機械式與流體式。根據(jù)不同的應(yīng)用場景和工況，會選取不同類型的攪拌器。機械攪拌器的工作原理是利用電機帶動攪拌軸旋轉(zhuǎn)向釜內(nèi)介質(zhì)輸入機械能從而達到攪拌目的。海洋石油平臺絕大部分采用機械式攪拌器，其優(yōu)點是具有較大的攪拌能量、流體微團分散較好、溶解效果好，適用于中低黏度的流體混合；但是海洋石油平臺空間小，設(shè)備的安裝受到危險區(qū)域的影響，安全可靠性要求較高。

氣體攪拌是流體攪拌中最常見的一種形式，通過把氣體通入攪拌液內(nèi)形成氣液混合物，由于氣體密度小且形成的氣泡向上運動，從而對液體進行攪拌。與機械攪拌相比，氣體攪拌具有運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單和能耗低等優(yōu)點，但有時過高的氣速使傳質(zhì)系數(shù)下降而不利于傳質(zhì)。有些行業(yè)為了緩解單一形式攪拌器帶來的缺陷，采取使用氣體分布器通入氣體，并在機械攪拌的作用下加強氣液傳質(zhì)效果。

近期，美國DERRICK 公司針對海洋泥漿混合系統(tǒng)研發(fā)了1 種化學混合罐，該混合罐中的攪拌器就是利用氣體推動攪拌器旋轉(zhuǎn)，達到機械攪拌和流體攪拌雙重效果。

本文探索新的攪拌形式，設(shè)計并提出一種以壓力氣體為動力的具有雙重特性的攪拌器，不僅氣體直接作用于介質(zhì)進行氣體攪拌，而且氣體噴出后的反作用力也可推動槳葉轉(zhuǎn)動進行機械攪拌。為了進一步了解新型攪拌器的性能，文中利用CFD數(shù)值模擬和激光多普勒測速法（ Laser Doppler Velocimeter，LDV）對攪拌流場進行了測試驗證。

1 新型槳葉的結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)點

圖1所示是新型氣動攪拌器。其攪拌軸為空心通氣管，空心管上端固定于釜體上，不跟隨槳葉旋轉(zhuǎn)?？招墓芟露碎_有若干孔供氣體輸出，管外部套有一個“C”型圓環(huán)（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2）。

圖1 新型氣動攪拌器模型圖

圖2 槳葉內(nèi)部剖面圖

“C”型圓環(huán)上連接著空心槳葉，葉片上設(shè)置有氣體分布孔。在“C”型圓環(huán)上下設(shè)置有限位板（見圖1），防止運行過程中上下移動，為減少限位板與圓環(huán)間的氣體泄漏和摩擦阻力，之間粘有帶自潤滑作用的墊片。

如圖1 所示，空氣壓縮機產(chǎn)生的氣體首先經(jīng)由空心通氣管 (攪拌軸)輸入，然后經(jīng)過通氣管下端的方孔進入“C”型圓環(huán)，最后進入與“C”型圓環(huán)相連接的槳葉，由槳葉上的氣孔排出。氣體排出后直接作用于介質(zhì)進行攪拌，而產(chǎn)生的反推力推動槳葉轉(zhuǎn)動，最終達到氣體攪拌和機械攪拌的雙重作用。

新型攪拌器因為是氣體作為驅(qū)動力，所以只需要1 根氣管線與之連接，精簡了以往電機驅(qū)動攪拌器所需要的電纜、接線盒等附屬設(shè)備，更無需因為考慮危險區(qū)因素而提高設(shè)備的防爆等級。因為通氣管焊接在筒體上，采用靜密封結(jié)構(gòu)取代以往攪拌軸的動密封結(jié)構(gòu)，不僅有效精簡了設(shè)備結(jié)構(gòu)、降低制造成本，而且氣體帶動攪拌器工作可以減少電機驅(qū)動所產(chǎn)生的熱量以及潤滑油泄漏和污染。

2 攪拌器流場的數(shù)值模擬

以攪拌釜中點為坐標原點建模，豎直方向為軸。模擬所采用的攪拌釜為平底圓柱筒，釜體內(nèi)直徑為300 mm、液面高度300 mm，攪拌槳中心面位于釜體的幾何中心，模擬介質(zhì)為水。

2.1 網(wǎng)格劃分

本文利用Gambit軟件進行建模。由于實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)不規(guī)則不利于劃分網(wǎng)格，建模時在不影響效果的前提下對葉片進行了簡化，采用多重考系法（Multi-Reference Frame，MRF）解決了靜止部件和轉(zhuǎn)動的攪拌槳之間的相對運動問題，整個計算域分為動區(qū)域和靜區(qū)域。槳葉及其附近流體區(qū)域設(shè)置為動區(qū)域，其他流體區(qū)域設(shè)置為靜區(qū)域。通過交界面（Interface）兩部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動量、能量的交換。網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性較強的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對動區(qū)域網(wǎng)格的劃分進行加密，分別生成約70萬個動網(wǎng)格和90萬個靜網(wǎng)格，見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2.2 模擬方法

計算采用Fluent軟件。本文主要研究了氣體和液體混合的二相流，且離散相為氣相容比較低的泡狀流，計算域分布較廣，所以選擇計算模型為Mixture模型。湍流模型選用標準模型，主相為水、第二相為空氣，流動狀態(tài)設(shè)置為非定常流動，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項的離散使用二階迎風差分格式，迭代時間步長為1 ms，設(shè)置殘差迭代到10時為收斂。設(shè)置邊界條件，基于前期試驗運行的基礎(chǔ)，設(shè)置動區(qū)域以60 r/min轉(zhuǎn)動，氣體出口設(shè)置為相對于槳葉面流速為15 m/s的速度出口，頂部液面為自由流動液面。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4為=0面的軸向速度圖，圖5為=0面放大后的軸向矢量速度圖。

圖4 軸向速度圖

圖5 軸向速度矢量圖

圖4中：槳葉以上區(qū)域除了靠近壁面小部分呈現(xiàn)黃色和紅色，其他大部分呈現(xiàn)濃綠色，槳葉斜上方不遠處有小部分的藍色；槳葉以下區(qū)域除了靠近壁面小部分和正對軸的下方呈現(xiàn)藍色，其他大部分呈現(xiàn)黃綠色，2個肋部黃色比較明顯。由圖譜對比可得出結(jié)論：槳葉以上的區(qū)域，靠近壁面區(qū)域的軸向速度高于其他區(qū)域的軸向速度；槳葉下方區(qū)域，靠近壁面和軸正下方的區(qū)域軸向速度不明顯，而2個肋部軸向速度最明顯。整體來看，槳葉下方的軸向速度優(yōu)于槳葉上方的軸向速度，分析其原因是槳葉上方區(qū)域由于氣泡的螺旋上升和離散對流場的循環(huán)流動起到不定向的擾動。

觀察圖5整體的流場分布，槳葉所在平面主要以徑向流動為主，流動到壁面處分為向上和向下的2股流體，將顏色對照圖譜可知向上的流體速度高于向下流動的流體；槳葉下方呈現(xiàn)2個類似“C”型的流場，“C”型流場在靠近壁面處與徑向流向下的支流相遇、相互作用，速度相互抵消形成了低速的亂流，呈現(xiàn)出藍色。槳葉上方的流場主要是氣泡螺旋上升和離散所造成的湍流，方向沒有規(guī)律且速度較慢；而靠近壁面區(qū)域的淺黃色主要是徑向流向上的1股分流形成的，速度稍高于其他區(qū)域。

圖6是模擬條件完全相同的普通機械式攪拌器（45°折葉槳）=0面軸向速度模擬圖，圖7是與圖6對應(yīng)的速度矢量圖。

圖6 軸向速度圖

對比圖6和圖4后發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域顏色有很大差別。圖6中的槳葉上方區(qū)域藍色部分較多，軸與槳葉的連接處藍色部分最明顯，軸向速度比圖4相同區(qū)域要差，但是靠近壁面區(qū)域黃色和紅色面積較大，軸向速度優(yōu)于圖4相應(yīng)區(qū)域。槳葉下方區(qū)域與圖4有很大的反差，大面積連續(xù)黃色和紅色區(qū)域聚集于軸下方，除靠近壁面小部分區(qū)域外，其他區(qū)域軸向速度良好。

圖5和圖7進行流場對比后發(fā)現(xiàn)，無氣孔的攪拌器呈現(xiàn)4個明顯的“O”型循環(huán)流場,高速區(qū)域集中在軸正下方，流場的連續(xù)性和規(guī)律性明顯。

圖7 軸向速度矢量圖

綜上觀察分析得出：從顏色上看，新型攪拌器的整體軸向速度分布沒有45°折葉攪拌器好，但是分別對比左側(cè)的圖譜可以發(fā)現(xiàn)：新型攪拌器軸向速度較高，并且新型攪拌器槳葉以上區(qū)域的速度分布比較均勻，在氣泡的攪拌作用下低速區(qū)較少，形成穩(wěn)定的湍流，靠近壁面的高速區(qū)域小，防止高速流體集中在壁面區(qū)域影響攪拌效率；而在槳葉以下區(qū)域，新型攪拌器注重2個肋部的攪拌，攪拌作用范圍較廣，在氣泡的作用下流場略微不規(guī)律。

3 LDV 實驗測試

激光多普勒測速法（LDV）是一種針對流體速度的非接觸測量手段，具有不干擾流體流動、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快和精度高等優(yōu)點，使LDV系統(tǒng)在流體力學領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本實驗主要選取中心立面中的若干點，對新型攪拌裝置的軸向速度進行測量，并得出了相應(yīng)區(qū)域流場分布和流動速度等實驗結(jié)果。

3.1 實驗過程

空氣壓縮機規(guī)格：公稱容積流量0.36 m/min，額定排氣壓力0.8 MPa，功率3 kW。將各個實驗裝置連接，空氣壓縮機運轉(zhuǎn)后將氣閥逐漸打開，直到攪拌器達到最高轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。此時，空壓機閥門全開，攪拌器速度為60 r/min，計算得到氣孔噴氣速度為15 m/s。

試驗主要研究槳葉以下區(qū)域的流動狀況，槳葉以上由于氣泡原因產(chǎn)生劇烈的湍流而未進行測試。實驗取點：水平方向從槳葉底部所在平面壁面開始每隔5 mm 取1 個點，總共取23 個點；豎直方向從槳葉底部所在平面開始每隔10 mm 取1 個面；總共23×10=230 個點，每個點測試40 s，取平均值并得出數(shù)據(jù)。

3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，本文選3 個面與相應(yīng)的數(shù)值模擬導出數(shù)據(jù)對比，每個面從23 個數(shù)據(jù)中篩選10 個數(shù)據(jù)作圖。圖8 為槳葉下部10 mm 平面的對比圖，圖9 為槳葉下部50 mm 平面的對比圖，圖10 為槳葉下部90 mm 面的對比圖。圖中橫坐標為所測點距桶壁的距離，縱坐標為速度，正負代表方向，向上為正。紅色曲線代表實驗數(shù)據(jù)，黑色曲線代表數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。

圖8 槳葉下部10 mm 液面的軸向速度

圖9 槳葉下部50 mm 液面的軸向速度

圖10 槳葉下部90 mm 液面的軸向速度

由圖8—圖10 可知：實驗數(shù)據(jù)得到的速度明顯要小于模擬速度，靠近壁面處實驗所得數(shù)據(jù)要比數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)波動大。圖8 中，在距桶壁9 cm 處的點實驗所得數(shù)據(jù)對比模擬數(shù)據(jù)要先變?yōu)樨摲较颍粓D9 中，在距桶壁為3 cm 處的數(shù)據(jù)比模擬數(shù)據(jù)要先變?yōu)檎较?；圖10 中，在距桶壁3 cm處的點同樣也是實驗數(shù)據(jù)首先變正，并且在距桶壁6 cm 處首先達到波峰。究其原因，主要是：

（1）數(shù)值模擬是在理想狀態(tài)下得到的數(shù)據(jù)。試驗中，攪拌器轉(zhuǎn)動連接處會有一定量的氣體漏出，影響氣孔出氣量進而使速度降低；試驗中，經(jīng)過壓縮的氣體進入水中后，由于溫度降低、氣泡收縮，也會使速度降低。

（2）由于光射入不同介質(zhì)以及有機玻璃曲率折射影響，使實驗的測試點發(fā)生偏移，造成數(shù)據(jù)偏差。

（3）由于試驗中的桶壁不光滑等因素，導致黏滯阻力較大，對靠近桶壁的流體流動有一定的干擾。

4 結(jié) 論

本研究利用 Fluent 軟件對新型攪拌器的攪拌特性進行數(shù)值模擬，獲得了桶內(nèi)的流體流動和速度場分布，并與45°折葉槳進行模擬對比，最后利用LDV 實驗得出的數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證，得出以下結(jié)論：

（1）氣體驅(qū)動攪拌器與傳統(tǒng)45°折葉槳對比，槳葉以上部分速度分布比較均勻，在氣體的攪拌作用下低速區(qū)較少，并且靠近壁面的高速區(qū)域小，能更好地防止因高速流體集中在壁面區(qū)域而影響攪拌效率。

（2）與45°折葉攪拌槳相比，氣體驅(qū)動攪拌器更注重2 個肋部的攪拌,攪拌范圍更大。

（3）由于一些不可避免因素的影響，導致實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)有一定誤差，但是流場趨勢基本相同。

綜上所述，本文對新型氣體驅(qū)動攪拌器進行初步分析研究、模擬和試驗，對攪拌器設(shè)備的更新?lián)Q代具有一定的參考價值，然而在實際應(yīng)用中可能還存在一些問題，將在今后的研究中不斷完善。