改進型三斜葉-Rushton組合槳槽內流場特性的粒子圖像測速技術

王家成,陶蘭蘭,郭海鋒,周勇軍*

(1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院,江蘇 南京 211816;2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 國家化工設備質量監(jiān)督檢驗中心,江蘇 蘇州 215600)

攪拌操作作為過程工業(yè)的基本單元操作是化工反應過程的重要環(huán)節(jié),其原理涉及流體力學、傳熱、傳質及化學反應等多種過程,攪拌過程就是在流動場中進行動量傳遞或是包括動量、熱量、質量傳遞及化學反應的過程[1-2]。在反應過程中攪拌器的結構形狀直接影響產品的生產效率和質量[3-4]。因此新型攪拌器的流場特性研究對反應工程實踐起著重要的參考作用[5]。

粒子圖像測速(PIV)技術對流場的測量具有很好的穩(wěn)定性,適用于工程應用的等比例縮小的實驗測量,因此反應釜的流場特性常采用PIV 技術進行研究[6-8]。楊娟等[4]在非牛頓流體中考察向心槳、Rushton槳、三斜葉槳相互組合后的混合效果,結果表明在單位體積功耗相等的情況下,高剪切的Rushton槳與強循環(huán)的斜葉槳組合的混合效果最高。周勇軍等[9]利用PIV 實驗對二斜葉框式組合槳進行了流場分析,結果表明隨著離底距增大,底部流場強度減弱不利于物料混合,同樣隨著槳間距的增大兩槳葉間的對流減弱也不利于物料混合。FAN 等[10]利用PIV 實驗方法研究了擋板對四斜葉槳攪拌流場的影響。試驗結果表明隨著擋板的增加,葉輪下方獨立循環(huán)面積發(fā)生變化,主體發(fā)生大規(guī)模對流,攪拌誘導的非相關流動結構分布范圍更廣。WANG 等[11]研究了雙四斜葉槳和單四斜葉槳在方槽中的流場變化情況,結果表明單個槳葉產生的高速區(qū)是有限的,雙槳葉使得攪拌槽內的高速區(qū)域更大,這加強了攪拌槽內的質量和動量交換。

上述文獻對斜葉槳和Rushton 槳的研究有所涉及,但是未涉及對改進型三斜葉-Rushton組合槳的研究。本工作利用PIV 技術對改進型三斜葉-Rushton組合槳槽內流場進行研究,通過實驗分別研究了轉速N=80、100、120、140 r·min-1,離底距C1=0.23H、0.26H、0.3H和槳間距C2=0.22H、0.25H、0.29H時槽內流場的情況,通過對速度分布圖的分析選擇最佳工況,以期為工程應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗過程中為減小光的折射所帶來的誤差,在攪拌槽的外部加一個透明有機玻璃儲水方槽,如圖1(a)所示。攪拌槽是由厚度6 mm 的透明樹脂玻璃周壁以及不銹鋼標準橢圓形封頭組成,下層槳葉離底距為C1,兩槳葉間距為C2,實驗中調節(jié)C1、C2來研究組合槳槽內流場特性,其結構模型圖如圖1(b)所示,方槽與攪拌槽內的液體液位保持一致。儲水方槽和攪拌槽的結構尺寸見表1所示。

表1 儲水方槽及攪拌槽結構尺寸Table 1 Structure dimensions of water storage square tank and stirred tank/mm

圖1 儲水方槽及攪拌槽結構模型Fig.1 Structural model of water storage square tank and stirred tank

實驗所用組合槳為改進型三斜葉槳和Rushton槳,如圖2所示。上層槳為改進型三斜葉槳,由3個折葉片和輪轂組成,葉片平均分布且與輪轂豎直軸線夾角呈45°,改進后的葉片前端部分折彎,夾角為160°,輪轂高40 mm,通過六角頭螺栓固定在軸上。下層槳葉為Rushton槳,由1個輪盤、6個直葉片和輪轂組成,輪盤位于輪轂中段,6個直葉片豎直均布在輪盤上,輪轂高度和固定方式與改進型三斜葉槳相同。攪拌槳結構尺寸如表2所示。

表2 攪拌槳結構尺寸Table 2 Structure dimensions of stirring impeller

圖2 攪拌槳結構模型Fig.2 Structural model of stirring impeller

1.2 實驗方法及后處理

PIV 技術可以記錄空間上在同一瞬間大量點的速度分布,PIV 的系統(tǒng)大致分為3部分,分別為光源子系統(tǒng),圖像采集子系統(tǒng)和圖像處理及顯示子系統(tǒng),其系統(tǒng)原理圖和實驗連接圖如圖3所示。

圖3 PIV系統(tǒng)示意圖Fig.3 PIV system diagram

實驗開始時向攪拌槽加入黏度為28.3 mPa·s的甘油-水溶液作為攪拌介質,同時加入示蹤粒子并攪拌均勻。向儲水方槽中注入清水并與攪拌槽內液位齊平,以此來避免折射現象。打開雙脈沖激光器發(fā)射出2條激光,在攪拌槽內形成2塊明亮的示蹤粒子區(qū)域,此時同步控制器控制CCD 相機連續(xù)拍攝2幀粒子圖像,通過這2張圖像的對比可以得到在一定時間內粒子的位移和速度。每一種工況拍攝100組200張照片。為了清晰具體地看出槽內速度分布情況,通過Tecplot圖像處理軟件和Origin函數繪圖軟件對拍攝結果進行后處理得到速度分布圖。

2 結果與討論

2.1 轉速對流場特性的影響

對徑向速度u和軸向速度v對槳葉尖端點速度Vtip進行無因次化處理,即u/Vtip為徑向無因次化速度,v/Vtip為軸向無因次化速度。對軸向和徑向位置做無因次化處理,得到軸向無因次化高度z/H和徑向無因次化位置r/T。

在相同離底距C1=0.3和槳間距C2=0.25的情況下,4種不同轉速N=80、100、120和140 r·min-1的徑向和軸向無因次化速度分布如圖4 所示,在徑向無因次化位置r/T=0.26,r/T=0.30和r/T=0.34 處得到徑向和軸向無因次化速度。由圖4(a)、(b)、(c) 3種不同徑向位置下徑向無因次化速度分布圖所示,轉速對徑向無因次化速度變化的影響基本相似,在不同徑向位置都出現2個徑向無因次化速度的波峰。隨著軸向無因次化高度z/H的增大,在z/H=0.08處出現首個波峰,此處為Rushton槳所在的位置,在0.08＜z/H＜0.18范圍內,由于受到上層槳葉的影響,徑向無因次化速度減小在z/H=0.18處產生波谷,當靠近上層槳時,受到其射流作用的影響,徑向無因次化速度再次變大,在z/H=0.36處出現第2次波峰。隨著軸向高度增加,由于受到改進型三斜葉槳的影響逐漸減弱,在z/H＞0.6 時徑向無因次化速度趨近0。

圖4 相同槳間距和離底距情況下4種不同轉速的徑向和軸向無因次化速度分布Fig.4 Radial and axial dimensionless velocity distributions of four different speeds at the same impeller pitch and distances from the bottom

實驗定義豎直向上方向為正方向。由圖4(d)、(e)、(f)3種不同徑向位置下軸向無因次化速度圖所示,在0.26＜r/T＜0.30時,轉速的變化對軸向無因次化速度的分布影響也基本相似,因為受上層改進型三斜葉槳的軸流影響在軸附近產生1個向下的渦旋,所以在z/H=0.4出現波峰且在此區(qū)域內軸向無因次化速度總體上呈負值。在r/T=0.34時,軸向無因次化速度分布受轉速的影響較為明顯且出現正值,這是因為液體與壁面碰撞產生一個向上的速度造成的,相較于N=80 r·min-1,當N=100 r·min-1時兩槳葉間的速度分布均勻,軸向無因次化速度呈中心對稱分布。隨著轉速增大到140 r·min-1槽內速度分布無太大變化,但是功率消耗增加,所以100 r·min-1為最佳轉速。

2.2 離底距對流場特性的影響

如圖5所示為相同轉速N=100 r·min-1和槳間距C2=0.25的情況下,在離底距C1=0.23H、0.26H、0.3H時的徑向和軸向無因次化速度分布圖。由圖5(a)徑向無因次化速度分布圖所示,在z/H＞0.4區(qū)域,隨著r/T的增大,上槳葉所形成的徑向無因次化速度在減小,在z/H=0.2處出現速度峰值。對比C1=0.23H和C1=0.26H的下層Rushton 槳葉區(qū)域,可以看到隨著離底距的增大,Rushton槳的徑向射流效果明顯,u/Vtip增加了約0.2。如圖5(c)所示,隨著離底距的進一步增大可以清楚地看到雙峰的出現,但是下層槳葉對應的速度峰值大于上槳葉,這是因為下層槳為徑流槳上層槳為軸流槳。由于離底距的增大,上層低速區(qū)從0.3＜z/H＜0.9變?yōu)?.5＜z/H＜0.9,低速區(qū)域有所減小,離底距的增大對槽內的速度分布有明顯改善。

圖5 相同轉速和槳間距情況下3種不同離底距的徑向和軸向無因次化速度分布Fig.5 Radial and axial dimensionless velocity distributions of three different distances from the bottom at the same speeds and impeller pitch

由圖5(d)、(e)、(f)3種不同離底距下軸向無因次化速度分布圖所示,軸向無因次化速度的分布大多呈負值,這是因為槳葉向下的射流作用形成的。隨著離底距的增加,改進型三斜葉槳形成的向下射流的單峰值從z/H=0.3增加至0.5,上槳葉區(qū)的湍動程度得到增強。當上層槳葉形成的速度峰值衰減至下槳葉區(qū)域時,由于Rushton槳的作用,在下槳葉區(qū)域又形成一個較小的峰值,但是峰值明顯小于改進型三斜葉槳所形成峰值。當C1=0.3H時上槳葉區(qū)的軸向無因次化速度達到最大且下槳葉區(qū)的低速區(qū)也有所減小,徑向無因次化速度能夠在相對較高的速度下均勻分布,此時混合效果達到最佳狀態(tài)。

2.3 槳間距對流場特性的影響

如圖6所示為相同轉速N=100 r·min-1和離底距C1=0.3H的情況下,3 種不同槳葉間距C2=0.22H、0.25H、0.29H在不同徑向無因次化位置的徑向和軸向無因次化速度分布。由圖6(a)可見,在z/H=0.05和0.3處分別出現1個速度峰值,在z/H=0.2處出現1個波谷,這是由2個槳葉的徑向射流所形成的,因為Rushton槳的徑向射流作用要強于改進型三斜葉槳,所以下峰值高于上峰值。隨著槳間距的增大兩波峰之間的距離也隨之增大,上波峰從z/H=0.3增加到0.4,此時上槳葉區(qū)的低速區(qū)有所減小。當槳間距從C2=0.22H增加到0.25H時,兩槳葉間的穩(wěn)定區(qū)域增加了25%,但隨著槳間距的進一步增大,可以看到兩槳葉間的低速區(qū)域也在擴大。

圖6 相同轉速和離底距情況下3種不同槳葉間距的徑向和軸向無因次化速度分布Fig.6 Radial and axial dimensionless velocity distributions of three different impeller pitch at the same speeds and distances from the bottom

由圖6(d)、(e)、(f)軸向無因次化速度圖可見,在近槳區(qū)域,軸向無因次化速度受r/T的影響較大,在軸向無因次化位置0.05＜z/H＜0.5內出現2次波峰和1 次波谷且波峰最大值出現在r/T=0.26處,隨著r/T的增大,因為受到雙槳的射流作用減弱以及內壁的影響,軸向無因次化速度變化很小。對比C2=0.22H和C2=0.25H,上槳葉區(qū)的低速區(qū)從0.5＜z/H＜0.9 縮小到0.6＜z/H＜0.9,使得上槳葉區(qū)的混合更加均勻。當槳間距C2=0.29H時,上槳葉區(qū)的低速區(qū)變化不大,但是上下2個峰值之間間距變大導致兩槳間開始出現低速區(qū),此時槳間混合效果不佳,所以C2=0.25H為 最佳槳間距。

3 結論

1) 轉速N=100 r·min-1時,軸向無因次化速度分布呈中心對稱結構,兩槳葉間的速度分布均勻,隨著轉速的增大上槳葉區(qū)的低速區(qū)域無太大變化,但功耗增大了。這表明N=100 r·min-1時最佳。

2) 隨著離底距的增大,槽內高速區(qū)域的位置在向上升高,槽底和上槳葉區(qū)的低速區(qū)域也減少,當離底距C1=0.3H時,上槳葉區(qū)的軸向無因次化速度達到最大且徑向分布均勻,槽內的整體湍動程度增強,混合效果達到最佳狀態(tài)。

3) 當槳間距增大時,上槳葉區(qū)的低速區(qū)在減小,但是兩槳葉間開始出現低速區(qū),混合效果不佳。槳間距C2=0.25H時,兩槳葉間的速度分布相對比較均勻,徑向速度相對穩(wěn)定,槽內的整體攪拌效果達到最好,此時最有利于槽內流體的混合和傳質。