摘 """""要：設(shè)計(jì)出一種新型復(fù)合螺旋高效靜態(tài)混合器，應(yīng)用Fluent軟件在低雷諾數(shù)下對(duì)靜態(tài)混合器兩相流的混合濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究其混合機(jī)理，并探討了不同寬度比對(duì)該靜態(tài)混合器混合性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)寬度比增大，兩相流體混合速度隨之增大，寬度比為1時(shí)，流體流經(jīng)4個(gè)混合元件后，分離強(qiáng)度值降為0.017"2，濃度分布最均勻，混合效果最佳。

關(guān) "鍵 "詞：靜態(tài)混合器；"分離強(qiáng)度；"數(shù)值模擬；"混合效果

中圖分類號(hào)：TQ027.3+5 """"""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)志碼：A """"""文章編號(hào)：1004-0935（20202024）0×12-1972-0×4

靜態(tài)混合器（motionless mixer）是一種流體混合裝置，與傳統(tǒng)的攪拌器不同，它不需要運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。靜態(tài)混合器的核心元件為混合元件，混合元件一般由一定規(guī)則排列的單元組成，混合元件通過改變流體的方向以及使流體受到剪切力、扭轉(zhuǎn)力等來實(shí)現(xiàn)兩相流體或多相流體的充分混合。

靜態(tài)混合器應(yīng)用廣泛，可以完成多種工藝，使流體混合更加均勻^[1-2]。張春梅等^[3-6]首先運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)出了流動(dòng)阻力的計(jì)算式，再結(jié)合SK型靜態(tài)混合器中流動(dòng)情況，建立了一種能計(jì)算SK型靜態(tài)混合器中流動(dòng)阻力的全新計(jì)算模型。然后，以水為工質(zhì)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，最后得出了流動(dòng)摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)之間的關(guān)系式。姬宜朋^[7]在前人研究Kenics靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上，成功研制了一種內(nèi)部的混合元件可以隨時(shí)改變速度的新型靜態(tài)混合器，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬研究得出的數(shù)據(jù)。

1 "物理模型及研究方法

1.1 "復(fù)合螺旋高效靜態(tài)混合器幾何結(jié)構(gòu)

本文研究的復(fù)合螺旋高效靜態(tài)混合器組成元件為一1根主管、一1根支管及四4個(gè)混合元件，如圖1所示。

在混合器內(nèi)布置混合元件從兩相入口方向開始按順序排列為第1、2、3、4元件，該混合元件由SK型混合元件與扭旋片同心組合，扭旋片長(zhǎng)度為H，扭旋角為α，長(zhǎng)度比為H/d，寬度比為2L/d，靜態(tài)混合器的幾何尺寸如表1所示，靜態(tài)混合器元件的幾何模型如圖2所示。

1.2 "模擬方案

本研究中設(shè)計(jì)的物理模型采用Solidworks建立，數(shù)值模擬主要通過Fluent軟件進(jìn)行。模擬為兩相流，主相為H₂O（ρ=998.2"kg·m^-3，μ=1.003×10^-3"Pa··s），次相為H₂SO₄（ρ=1"836"kg·m^-3，μ=1.018×10^-2"Pa·s）。模擬時(shí)忽略重力影響，2種流體均視為不可壓縮、連續(xù)的流體。Mixture混合模型應(yīng)用在多相流模型中，采用勻速入口和自由出口，壓力和速度耦合選用SIMPLE算法^[8-9]。

靜態(tài)混合器中流體流動(dòng)狀態(tài)以主相入口的雷諾數(shù)Re為依據(jù)，主相的入口速度可由雷諾數(shù)計(jì)算公式（1）推得。

（1）（1）

式中：ρ—流體密度，kg·m^-3；

u—入口流體速度，m·s^-1；

d—入口內(nèi)徑，mm；

μ—流體動(dòng)力黏度，Pa·s。

1.3 "網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

網(wǎng)格數(shù)目的多少會(huì)對(duì)仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度產(chǎn)生影響，數(shù)目越多表示計(jì)算精度越高，但網(wǎng)格數(shù)目過大時(shí)，會(huì)影響計(jì)算效率，為此需要在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，選取一個(gè)合適的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬。

局部區(qū)域內(nèi)濃度與流體實(shí)際濃度之間偏差的平均值稱為分離強(qiáng)度，公式表達(dá)式如下：

（2）

式中：X_i—靜態(tài)混合器中第i種組分在不同位置的體積分?jǐn)?shù)值；

—某一組分在某截面的n個(gè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)的平均值。

在Re=1"200、α=150°條件下，分析了混合單元的流體分離強(qiáng)度隨網(wǎng)格密度的變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在網(wǎng)格總量達(dá)到3"417"653后，分離強(qiáng)度的變化開始平緩，并且變化范圍不超過5%，說明此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量不會(huì)再對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，選擇使用3"417"653個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 "混合性能

在主相入口雷諾數(shù)Re=1"200的條件下，對(duì)2L/d混合器的濃度場(chǎng)分別為0.25、0.5、0.75、1情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 "軸向濃度分布

寬度比-混合器軸向截面的H₂SO₄體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，兩相流體剛剛進(jìn)入混合器管內(nèi)時(shí)，只會(huì)在兩相流體交界處有極少部分的混合，有明顯的分界線。通過4個(gè)混合元件的扭轉(zhuǎn)作用，液體在一定程度上沿著螺旋方向流動(dòng)，2種流體基本已經(jīng)達(dá)到了均勻混合狀態(tài)。綜上所述，可以得到增加寬度比對(duì)提高靜態(tài)混合器的混合性能作用明顯，寬度比為1時(shí)，混合效果更好。

2.2 "徑向濃度分布

對(duì)不同葉片寬度比的混合器進(jìn)行數(shù)值模擬，并繪制了各元件的首尾徑向H₂SO₄體積分?jǐn)?shù)的分布云圖，如圖5所示。

由圖5可得，在兩相流體入口時(shí)，兩者基本處于完全分離狀態(tài)，僅有流體交界處有一點(diǎn)混合，當(dāng)流體進(jìn)入第一個(gè)元件后，兩相流體開始進(jìn)行初步混合，可以看到混合速度明顯加快；當(dāng)流體進(jìn)入第二個(gè)混合元件時(shí)可以看出，不同寬度比對(duì)混合性能影響確實(shí)顯著，其中明顯可以看到寬度比為1的第二組混合效果要好于其他3組；當(dāng)流體到達(dá)第三個(gè)元件時(shí)可以看到，寬度比較小和較大的組均未實(shí)現(xiàn)基本均勻混合，仍有一部分是單相流體存在狀態(tài)；當(dāng)流體流經(jīng)第四個(gè)元件時(shí)各組已經(jīng)達(dá)到基本均勻混合狀態(tài)。從整體分析來看，寬度比對(duì)混合器混合性能影響顯著，研究中最佳的寬度比為1。

2.3 "混合特性定量分析

上文通過軸向濃度云圖和徑向濃度云圖分析了不同寬度比對(duì)靜態(tài)混合器的混合效果影響，已得到一致的結(jié)果，為了增加結(jié)論的客觀性，進(jìn)一步定量分析靜態(tài)混合器的混合效果，繼續(xù)選擇分離強(qiáng)度來分析流體的混合均勻程度，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)流體經(jīng)過第一個(gè)混合元件時(shí)，寬度比為1的第二組分離強(qiáng)度相對(duì)于其他3組下降很快，其他3組雖也呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，但與2L/D=1相比稍差一些。在2L/D=0.75的混合器中流經(jīng)3個(gè)混合元件后，分離強(qiáng)度為0.057"7，而2L/D=1的混合器在流經(jīng)前2個(gè)混合元件后即可達(dá)到與之接近的分離強(qiáng)度值。2L/D=0.75的混合器與2L/D=1的混合器相比較，在流經(jīng)第二個(gè)混合元件時(shí)分離強(qiáng)度前者大于后者，即2L/D=1的混合器混合性能更好，流經(jīng)第二個(gè)混合元件后兩者混合性能相近。因此，在其他參數(shù)相同的情況下，寬度比由0.25到1.0的過程中，分離強(qiáng)度逐漸減小，即混合效果越來越好。

為了進(jìn)一步分析每個(gè)混合元件對(duì)整個(gè)靜態(tài)混合器在混合過程中的貢獻(xiàn)程度引入貢獻(xiàn)率^[10]。貢獻(xiàn)率的計(jì)算公式為：

（3）

式中：Q_N—第N個(gè)扭旋元件的貢獻(xiàn)率；

""""""I_iN—第N個(gè)扭旋元件入口的分離強(qiáng)度；

I_oN—第N個(gè)扭旋元件出口的分離強(qiáng)度；

?I—整個(gè)混合單元的首尾兩端分離強(qiáng)度的差值；

N—扭旋元件序號(hào)，N=1、2、3、4。

通過貢獻(xiàn)率公式的計(jì)算結(jié)果，可以得出4個(gè)混合元件對(duì)整體混合效果的貢獻(xiàn)率分別為55%、24%、10%、11%。進(jìn)入混合器后，兩相流體在第一個(gè)扭旋元件的作用下，混合均勻程度大幅提高，分離強(qiáng)度顯著降低。第二個(gè)扭旋元件的貢獻(xiàn)率明顯低于第一個(gè)扭旋元件，但仍然對(duì)混合效果有明顯影響。當(dāng)流體經(jīng)過第三個(gè)扭旋元件時(shí)，貢獻(xiàn)率僅為10%，此時(shí)分離強(qiáng)度的變化趨緩，扭旋元件的性能提升效果不再明顯。經(jīng)過第四個(gè)扭旋元件時(shí)，混合狀態(tài)基本保持均勻，因此第四個(gè)扭旋元件的貢獻(xiàn)率11%，對(duì)混合性能的進(jìn)一步提升作用有限。因此，設(shè)計(jì)的新型靜態(tài)混合器主要通過增強(qiáng)前3個(gè)扭旋元件的性能來提高混合效果。通過軸向和徑向濃度分布、分離強(qiáng)度以及貢獻(xiàn)率的分析，可以得出提高寬度比對(duì)提高混合性能效果顯著。

4 "3""結(jié) 論

討論了在不同寬度比對(duì)新型復(fù)合螺旋高效靜態(tài)混合器的影響規(guī)律，在低雷諾數(shù)時(shí)隨寬度比增大，兩相流體混合速度隨之增大，寬度比為1時(shí)，流體流經(jīng)4個(gè)混合元件后，分離強(qiáng)度值降為0.017"2，濃度分布最均勻，即混合效果最佳。因此，適當(dāng)提高寬度比參數(shù)有利于提高該靜態(tài)混合器的混合性能。

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Influence of Width Ratio on Mixing Effect of Compound

Spiral High Efficiency Static Mixer

YE"Hanyu， ZHANG Chunmei， TIAN He， LI Xingyu

（Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract："A novel compound spiral high efficiency static mixer was designed， and the mixing concentration field of the two-phase flow of the static mixer was numerically simulated by Fluent software at low Reynolds number， and the mixing mechanism was explored， and the effects of different width ratios on the mixing performance of the static mixer were discussed. The results showed"that when the width ratio increased， the mixing speed of the two-phase fluid increased. When the width ratio was"1， the separation strength value decreased"to 0.017 2 after the fluid flowed"through the four mixing components， and the concentration distribution was"the most uniform， and the mixing effect was the best.

Key words："Static mixer; Separation strength; Numerical simulation; Mixing effect