劉 備， 孫 鐵， 金重陽， 楊雪峰， 張素香， 羅 鳴, 周長茂

(遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

石油化工領(lǐng)域經(jīng)常會遇到混合問題。例如，工業(yè)上將兩種物料快速混合，常用的處理方法就是采用機械攪拌設(shè)備。由于機械攪拌設(shè)備體積龐大、使用效率低下、操作繁瑣、能耗高等諸多缺點，人們正在積極尋找一種能夠替代機械攪拌的混合設(shè)備。作為混合使用的靜態(tài)混合器應(yīng)運而生。但是在很多情況下，傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器并不能滿足生產(chǎn)要求。比如對流體的混合效果要求較高時，就需要增加混合元件的個數(shù)。混合元件個數(shù)的增加，不僅增加了混合器加工制造的難度，而且增加了流體在混合器內(nèi)的停留時間和壓降。在很多要求快速混合的場合，傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器就無能為力了。當(dāng)對流體的混合時間要求較短時，需要縮短混合器的混合長度。混合長度的縮短導(dǎo)致混合元件的減少，從而影響了流體的混合效果,不能滿足生產(chǎn)要求。

目前，國內(nèi)對于SK型靜態(tài)混合器的研究有了一定的進展。龔斌等[1]研究了混合元件數(shù)對SK型靜態(tài)混合器內(nèi)速度分布和湍流強度的影響。王宗勇等[2]研究了流道數(shù)對SK型靜態(tài)混合器內(nèi)混合效果和壓降的影響。黃娜等[3]研究了邊界條件對SK型靜態(tài)混合器內(nèi)速度分布的影響。

超聲波能在液體中產(chǎn)生微沖流，具有攪拌作用。在不相溶的兩相液體中，微沖流能促使兩液相面加速互相分散，具有乳化作用。楊小斌等[4]進行了超聲場下攪拌槽內(nèi)微觀混合的實驗，H. Monnier等[5]研究在超聲波作用下不同液體微觀分子規(guī)模的混合，這些實驗均表明，超聲波對微觀混合有明顯的強化作用。

迄今，將超聲空化技術(shù)與SK型靜態(tài)混合器相結(jié)合的研究報道尚很少見。為了解決目前的靜態(tài)混合器混合效果與混合時間不能同時達到最優(yōu)化這一問題，筆者研究了超聲空化對SK型靜態(tài)混合器混合效果的影響，以期為超聲空化技術(shù)在靜態(tài)混合器上的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 物理模型

超聲波靜態(tài)混合器示意圖如圖1所示，它包括超聲波發(fā)生器、底座、換能器、聲場作用槽和靜態(tài)混合器五個部分。混合器內(nèi)元件的個數(shù)一般不超過6個,混合元件扭轉(zhuǎn)180°，相鄰兩個元件的旋向相反，并相錯90°排列。為了克服混合長度縮短導(dǎo)致混合效果不好的問題，在靜態(tài)混合器下方放置一個聲場作用槽，在底座上設(shè)置若干個換能器，如圖1(b)所示。

圖1 超聲波靜態(tài)混合器示意圖

Fig.1Aschematicdiagramofultrasonicstaticmixer

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

計算模型是利用PRO/E軟件進行幾何建模，導(dǎo)入GAMBIT中進行網(wǎng)格劃分，共有302 978個單元。在GAMBIT中檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，EquiSize Skew在0～0.4的網(wǎng)格數(shù)占了76.68%，說明網(wǎng)格質(zhì)量比較理想。模型內(nèi)徑為50 mm，混合元件的長徑比為1.5，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

Fig.2Gridmodel

2.2 控制方程及計算方法

FLUENT中的空化模型要求主項必須是液體，次相為其氣相，故選靜態(tài)混合器內(nèi)氣液兩相流體介質(zhì)為水和水蒸氣。在模擬中選用Mixture模型，考慮空化模型時，在兩項的相互作用中選擇空化模型，不考慮時則不選。

(1) 連續(xù)性方程：

(2) 動量方程：

(3) 體積分數(shù)方程：

(4) 標準k-ε模型方程[6]：

(5) 空化模型控制方程[7]：

當(dāng)p

當(dāng)p>psat：

(6) 湍流速度分布函數(shù)[8]：

模擬采用SIMPLE算法耦合壓力場和速度場，求解器中的壓力項采用PRESTO!算法。其它主要參數(shù)如動量、湍動能和湍流耗散率均采用QUICK格式，亞松弛因子保持默認值。模擬過程中考慮熱力學(xué)因素，定義水蒸氣的飽和溫度及汽化潛熱等物理量，并以湍流模型下的入口截面的速度分布函數(shù)作為邊界條件進行UFD編程并進行模擬。

2.3 邊界條件

計算的入口邊界條件為速度入口，速度為0.5 m/s，出口邊界條件為壓力出口。湍流強度設(shè)置為5%，水力直徑為50 mm，入口處氣體的體積分率為0.1，并將氣體限制在入口中心處以便于觀察混合效果，計算時需考慮重力的影響。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 速度場的分布與比較

流體進入混合器后，在混合元件的扭轉(zhuǎn)與切割作用下不斷地進行混合。圖3為是否加入空化模型時靜態(tài)混合器進口截面上的速度分布。

圖3 進口截面速度分布

Fig.3Velocitydistributionofinletsection

從圖3中可以看出，加入空化模型的進口速度比未加入空化模型的明顯增大。經(jīng)計算，未加入空化模型中流體平均速度為0.5 m/s，加入空化模型中為0.55 m/s，流速提高了10%，這是由于超聲空化的加入對流體造成擾動，使其進入入口后具有了其他方向的速度，因此合速度增大，說明超聲空化可以提高進口處流體的流速。

3.2 濃度場的分布與比較

圖4為未加入空化模型時靜態(tài)混合器不同截面(水蒸氣)的濃度分布。從圖4(a)中可以看出，在第一個混合元件處水蒸氣的濃度梯度最大，隨著流體間的相互作用，濃度梯度越來越小，到第六個混合元件出口處，實現(xiàn)濃度均一。從圖4(b)可以看出，僅存在很小的濃度差。經(jīng)計算，出口處水蒸氣的體積分率平均值為10.00%，最大值為10.40%，最小值為9.93%，此時出口處的流體基本實現(xiàn)均勻混合。

圖4 不同截面(水蒸氣)濃度分布

Fig.4Distributionofdifferentsection(watervapor)concentration

圖5為加入空化模型后靜態(tài)混合器不同截面(水蒸氣)的濃度分布。從圖5(a)中可以看出，與圖4相比，流體的混合速度更快，而且混合更為徹底，未到第二個混合元件處濃度分布便已經(jīng)較為均勻。從圖5(b)中計算可知，此截面各節(jié)點處水蒸氣的體積分率均為10%，已經(jīng)實現(xiàn)均勻混合。與未加入空化模型相比，超聲空化可以使流體的混合速度更快，混合效果更好。

圖5 不同截面(水蒸氣)濃度分布圖(加入空化模型)

Fig.5Distributionofdifferentsection(watervapor)concentration(addingultrasoniccavitation)

3.3 壓力場的分布與比較

圖6為是否加入空化模型時靜態(tài)混合器沿軸線方向上的壓力曲線。從圖6(a)中可以看出，未加入空化模型時從進口到出口處，壓力值均勻降低。經(jīng)計算，混合器的進出口壓差約為746 Pa。從圖6(b)中可以看出，加入空化模型后在前第一個混合元件處的壓降最為明顯，這與入口處附近流體流速提高的結(jié)果吻合。經(jīng)計算，到z=40 mm處時混合器的進出口壓差達到了836 Pa，略大于未加入空化模型時的壓降。

圖6 靜態(tài)混合器沿軸線方向上的壓力曲線

Fig.6Thepressurecurveinthedirectionofthestaticmixeralongtheaxis

3.4 湍流強度場的分布與比較

由流體力學(xué)可知，流速對混合器內(nèi)流場具有直接的影響。流速越大，流場內(nèi)湍動就越劇烈，流體間的混合就更容易，更充分。圖7為靜態(tài)混合器中心剖面上的湍流強度分布。從圖7中可以看出，加入空化模型比未加入空化模型中流體的湍流強度有所增強，強化作用在第一個混合元件處最為顯著，進入第二個混合元件后基本達到穩(wěn)定。說明超聲空化可以增強流體的湍流強度，這也和壓力場、速度場的分析相一致。

圖7 中心剖面湍流強度分布

Fig.7Distributionofturbulenceintensityincentralsection

4 實驗驗證

4.1 裝置的工藝流程及結(jié)構(gòu)

自行設(shè)計并組建的實驗裝置由SK型靜態(tài)混合器、隔膜泵、玻璃轉(zhuǎn)子流量計、超聲波發(fā)生器、回收槽組成(見圖8)。待混合物料分別經(jīng)隔膜泵、流量計后，進入靜態(tài)混合器，混合后的物料由上方出口進入回收槽。為了便于觀察混合效果，靜態(tài)混合器的外壁采用PVC透明材料，在靜態(tài)混合器管壁外卡上金屬水槽，在水槽壁上貼上超聲波振子。

圖8 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Device structure

為了驗證超聲波對靜態(tài)混合器混合效果的影響，實驗選用SK型靜態(tài)混合器的混合元件長徑比為1.5，共7個混合單元，以左旋、右旋相間排列。混合元件為金屬材質(zhì)，安裝在透明管中，便于實際操作以及對實驗現(xiàn)象的觀察。實驗原料為煤油和水，實驗過程中在煤油中加入微量蘇丹紅 Ⅲ(質(zhì)量分數(shù)約0.05%)染色，以分辨不同相。

4.2 實驗參數(shù)及步驟

4.2.1 實驗參數(shù) SK型靜態(tài)混合器的尺寸設(shè)計與模擬相同，內(nèi)徑為50 mm，混合單元長度為750 mm，混合器內(nèi)放置7個混合單元。實驗中煤油和水的流量比為1∶8。將待混合料液抽入靜態(tài)混合器，等混合器內(nèi)充滿液體并流動穩(wěn)定后，觀察混合效果，進行拍照。

4.2.2 實驗步驟

(1) 搭建實驗臺，連接管路；

(2) 啟動泵，調(diào)節(jié)流量，實驗中調(diào)節(jié)水的流量為4 L/min，煤油的流量為0.5 L/min；

(3) 待管中充滿液體，流動穩(wěn)定后，進行拍照；

(4) 開啟超聲波靜態(tài)混合器，待流動穩(wěn)定后，記錄實驗結(jié)果；

(5) 關(guān)閉儀器。

4.3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖9所示。從圖9(a)中可以看出，未加入超聲波時，在入口處，有明顯的油水分界層，并且煤油以帶狀沿著混合元件向上流動，逐漸開始出現(xiàn)分散現(xiàn)象，在第六個混合元件處，可以看到煤油開始分散，出現(xiàn)較小的油滴，且油滴分布較為均勻。

加入兩個40 kHz的超聲波振子后(見圖9(b))，第二個混合元件上方還有較為明顯的油水分界層，但從油的顏色來看，紅色比較暗，分布面積也變大，說明超聲波的加入使油分布較為分散。從第三個混合元件開始，已經(jīng)沒有明顯的油水分離層，且油滴顆粒小，紅色分布已經(jīng)很均勻。

圖9 實驗結(jié)果

Fig.9Theresultofastaticmixerwhetherornottoaddultrasound

5 結(jié)論

(1) 混合器內(nèi)濃度場的模擬結(jié)果表明，超聲空化可以使流體的混合速度更快，而且混合效果更好，它克服了目前的靜態(tài)混合器混合效果與混合時間不能同時達到最優(yōu)化這一困難。

(2) 混合器內(nèi)速度場、壓力場和湍流強度場的模擬結(jié)果表明，超聲空化可以提高進口處流體的流速，增強流體的湍流強度，強化作用在第一個混合元件處最為顯著，進入第二個混合元件后基本達到穩(wěn)定。

(3) 實驗驗證了加入超聲波對混合效果有影響，未加入超聲波時，到第六個混合單元才開始出現(xiàn)較小的油滴，油滴出現(xiàn)均勻分布現(xiàn)象。加入超聲波后，經(jīng)過兩個混合單元，已經(jīng)沒有了油水分界層，并且油滴顆粒更小，分布更加均勻。實驗中超聲波的作用效果與模擬的結(jié)果基本吻合，也驗證了模擬的正確性。

符號說明

C1ε,C2ε,Ce,Cc為經(jīng)驗常數(shù);

F為體積力，N/kg;

f為質(zhì)量分數(shù);

Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

g為氣體;

gi為重力加速度，m/s2;

k為湍動能;

l為液體;

p為流體各向同性壓強，Pa;

psat為液體在給定溫度下的飽和蒸氣壓強;

Rc為蒸氣凝結(jié)率;

Re為蒸氣生成率;

T為溫度，℃;

t為時間，s;

ui,uj,uk為時均速度，m/s;

Vch為特征速度;

v為蒸氣;

xi,xj,xk為速度張量;

αi為第i項的體積分數(shù);

γ為有效交換系數(shù);

ε為湍流耗散率;

μ為流體黏度，Pa·s；

μt為流體黏性系數(shù)，Pa·s；

V為蒸氣相的速度矢量；

ρ為密度，kg/m；

σ為液體表面張力系數(shù)；

σk,σε為湍流普朗特數(shù)；

υ為流體平均速度，m/s

λ為管道摩擦阻力系數(shù);

d為比直徑，無量綱的直徑;

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