（化学工程专业论文）新型静态混合器的cfd研究.pdf

中文摘要 为定量描述立交盘静态混合器的性能，采用激光多普勒测速仪实验技术与计 算流体力学( c f d ) 相结合的方法，从流体力学性能、传热性能、混合性能等多 方面，对立交盘静态混合器的特性进行了系统的研究。 以装有两个立交盘静态混合器的圆管为研究对象，选取了管路中六个截面， 通过对牛顿流体( 雷诺数范围在8 7 到1 7 4 6 之间) 的速度场的l d a 实验研究和c f d 模拟，得到以下结论：立交盘静态混合器内的流速分布很复杂，对应其结构的变 化速度场也在不断改变。轴向和径向速度分布均体现了“周期相似”的特点。通 过对l d a 数据与c f d 结果定性及定量的对比，认为两者吻合较好。c f d 计算的压 降采用两种常用的参数进行了表征，分别得到了z 因子，摩擦因子与雷诺数的关 系式，研究认为5 0 r e 5 0 0 为所研究立交盘静态混合器系统从层流向湍流转变的 临界区间。 针对立交盘静态混合器的传热特点，以设置十个混合元件的管路为研究对 象，对传热实验进行c f d 模拟。结果表明，加入十个静态混合器的直管的传热效 率约为空管的4 倍。本文从速度场和温度场的协同关系的角度分析认为，加入立 交盘静态混合器后，总体的场协同数近似为空管的2 - 6 倍。对简化的立交盘结构 进行了传热的计算，其传热通量下降了1 5 ，压降约为原来的1 4 。 选用三种参数表征立交盘静态混合器的分散混合和分布混合的性能：停留时 间分布，变异系数和剪切率。停留时间分布研究的结果表明，平均每增加一个混 合元件，轴向凡数增大4 1 。变异系数研究的结果表明，粒子进入混合元件的 初始分布状态对最终的混合效果有很大影响；立交盘静态混合器对周向分布较好 的粒子更能发挥作用。剪切率研究的结果表明，在每一个混合单元内，剪切率的 变化规律是相似的。进一步研究发现，改进后的结构能够使点源入射的示踪粒子 最大限度地在周向分散。 关键词：静态混合器计算流体力学，激光多普勒测速仪速度场压降传 热混合 a b s t r a c t i no r d e rt og i v eaq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fan e w l y d e v e l o p e ds t a t i cm i x e r , t h ec r o s s o v e rd i s k ( c o d ) s t a t i cm i x e r , l a s e rd o p p l e r a n e m o m e t r y ( l d a ) t e c h n o l o g ya n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) m e t h o d w e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h eh y d r o d y n a m i c ，h e a tt r a n s f e ra n dm i x i n gp e r f o r m a n c e v e l o c i t yp r o f i l e sa td i f f e r e n tl a y e r so ft h ef l u i df l o wi nar o u n dt u b ep a c k e dw i t h t w oc o ds t a t i cm i x e r sw e r eo b t a i n e dv i al d aa n dc f dm e t h o di nt h er a n g eo fr e f r o m8 7t o1 7 4 6 s i xp l a n e sh a v eb e e ns e l e c t e dw i t h i nt h eo b j e c t i v et u b e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa l ev e r yc o m p l e xa n dv a r i a b l ew i t ht h em i x e r s t r u c t u r e a n a l y s i so f3 一dv e l o c i t yf i e l di n d i c a t e sas p a t i a l l yp e r i o d i cf l o ww h i c h m a t c h e st h e p e r i o d i c i t y o ft h em i x e rg e o m e t r y t h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h en u m e r i c a lp r e d i c t i o n si sq u i t ew e l li nm o s tc a s e s t w o c o l i l i l o np a r a m e t e r s ，zf a c t o ra n df r i c t i o nf a c t o rb 9 ，a r eu s e dt oe v a l u a t et h e c o m p u t a t i o n a lp r e s s u r ed r o p c o r r e l a t i o n s o ft h et w op a r a m e t e r sc h a n g e dw i t h r e y n o l d sn u m b e rw e r eo b t a i n e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec r i t i c a l z o n ef o r c h a n g i n gf r o ml a m i n a rt ot u r b u l e n tf l o wi s5 0 r e 5 0 0 f o rt h et e s ts y s t e m t oi n v e s t i g a t et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fc o ds t a t i cm i x e r , v i r t u a l l y h e a t i n ge x p e r i m e n tv i ac f ds i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tf o rar o u n dt u b ep a c k e d w i t ht e nm i x e r s i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yi nt h es y s t e mi s a b o u tf o u rt i m e sl a g e rt h a nt h a ti nt h ee m p t yt u b e u s i n gf i e l ds y n e r g yp r i n c i p l et o a n a l y z et h ev e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ep r o f i l e ，i tw a sf o u n d t h a tt h ef i e l ds y n e r g y n u m b e rr i s e sa b o u tt w ot os i xt i m e sl a r g e rt h a ne m p t yt u b e i no r d e rt oo p t i m i z et h e s t r u c t u r eo ft h es t a t i cm i x e r , h e a tt r a n s f e rc o m p u t a t i o no nas i m p l i f i e ds t a t i cm i x e r w a sc a r r i e do u t i tw a sf o u n dt h a tp r e s s u r ed r o pd e c r e a s e st oo r ef o u r t ho ft h eo r i g i n a l c o n d i t i o nw h i l eh e a tt r a n s f e rf l u xd e c r e a s e do n l y15 t h r e ep a r a m e t e r s r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ( r t d ) c o e f h c i e n to fv a r i a t i o n ( c o y ) a n dm e a ns h e a rr a t ea r es e l e c t e dt oe v a l u a t et h ed i s t r i b u t i v ea n dd i s p e r s i v e m i x i n gb e h a v i o r r t dr e s e a r c hs h o w st h a tt h ea x i a lp en u m b e ri n c r e a s e sw i t ht h e n u m b e ro fs t a t i cm i x e r a v e r a g e l y , p ei n c r e a s ea b o u t4 1f o re a c hm i x e re l e m e n t t h e c o vs h o w st h a tt h eo r i g i n a ld i s t r i b u t i o no ft r a c e rp a r t i c l e si sv e r yi m p o r t a n tt ot h e m i x i n ge f f i c i e n c y a n dt h ec o d s t a t i cm i x e rc a nw o r kw e l li ft h et r a c e rp a r t i c l e s l o c a t ea tc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o ne q u a b l y i ne v e r yp e r i o d i cm i x e re l e m e n t ，t h e r e g u l a r i t y o fs h e a rr a t ev a r i a t i o ni ss i m i l a r i no r d e rt oi m p r o v et h em i x i n g p e r f o r m a n c e ，c o ds t a t i cm i x e rw a sm o d i f i e d s i m u l a t i o nr e s u l tr e v e a l st h a tt r a c e r p a r t i c l e si n j e c t e da to n ep o i n td i s t r i b u t ea tc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o na tt h em a x i m u m d e g r e ef o rt h em o d i f i e ds t a t i cm i x e r k e yw o r d s ：s t a t i cm i x e r , c f d ，l d a ，v e l o c i t yf i e l d ，p r e s s u r ed r 叩，h e a t t r a n s f e r , m i x i n g 天津大学硕士学位论文 符号说明 c 1 j b 办 七 ，” 刀 g z ， ，w v 4 c o v c p d d l d t d e f c h f g h i p i 三 k n n h p p r q 符号说明 浓度，m o l m 3 摩擦因子 多普勒频移 螺旋性，m - 1 导热系数，w ( m ) 每个元件的波纹板数 静态混合器元件的数目 热通量，w m 2 速度，m s 标准化速度 传热面积，m 2 变异系数 比热，j ( k g k ) 静态混合器直径，m 层流扩散系数 湍流扩散系数 应变张量率，s q 总能量，j 对流传热的场协同数 潜热，j 显热，j 湍流强度 静态混合器的长度，m 静态混合器入口处的组分数 物料流被分割的层数 努塞尔数 压降，p a 普兰德数 体积流率，m 3 s 天津大学硕士学位论文 符号说明 q 蛔 r s d r e p e s s c 丁 希腊字母： 口 口 a 名 秒 臼 毛 y p 仃 8 k 下标： e t l ， g ， 研 s m w x 工，y ，z 热通量，j 相对标准偏差 雷诺数 彼克列数 标准偏差 施密特数 温度，k 波纹与管轴的夹角 延伸效率 激光波长，m 拉伸 协同角 两束光夹角 应变张量速率的模，s 。1 剪切率 密度，k g m 3 粘度，p a s 方差 湍流耗散率，( m 2 s 3 ，f t 2 s 3 ) 空管 坐标方向，i = x ，y ，zj = x ，y ，z 气相 液相 气一液混合物 静态混合器 壁面 气相分率 坐标 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：陆宴木 签字日期： 刀d 7 年f 月唧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：陆枣求 签字日期：秘7 年f 月2 ；e 1 导师签争：交菇沁 签字日期：调o 7 年f月巧日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 静态混合器( s t a t i cm i x e r 或m o t i o n l e s sm i x e r ) 是相对动态混合器( 如搅拌) 而 提出的，它是借助流体管路的不同结构，得以在很宽的雷诺数范围内进行流体的 混合，而又没有机械式可动部件的流体管路结构体【l 】。在管道内放置这种特别的、 结构规则的构件，当两种或更多种流体及粉末等物质通过这些构件时被不断地切 割和转向，使之混合均匀。 最早的静态混合器专利是英国专利，登记于1 8 7 4 年。以后又相继开发了多 种静态混合器，这些专利都是承袭了上述英国专利的混合思想，即以“分割一位 置移动一重新混合”的想法为基础，并考虑了流体的性质而产生的。工业应用的 静态混合器最早是在六十年代初开始由美国的k e n i c s 公司研制成功的。1 9 7 0 年， 第一台s k 型静态混合器在欧洲的a c h e m a 化学工程展览会展出。1 9 7 3 年，工业 化的苏尔士静态混合器的问世，才真正标志着静态混合器的研究进入了开发与应 用的新阶段f 2 1 。 1 1 静态混合器的概述 1 1 1 静态混合器的特点 经过实践，静态混合器表现出许多特点： 可以获得近于活塞流的效果，从而可以正确地控制其混合状态。 无活动部件，因而投资少，易于维修。 在管道中混合，产品与外界大气隔绝，从而防止环境污染。 便于安装。对静态混合器采用上流、下流，横流或斜向流均可。 可使混合装置内流体残留量减少到最低的程度，从而使操作迅速进入正常 稳定状态，提高装置的处理量。 易于控制化学反应温度。 可使液体与液体、液体与气体、气体与气体之问易于连续混合、分散、乳 化。已广泛应用于化工、石油、环保、食品、医药等行业，还具有结构简单、耗 能少、体积小等特点，特别适用于对空间位置有特殊要求的场合【3 1 。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 2 静态混合器的作用原理 国内外静态混合器类型发展到五十余种，从静态混合器单元的作用原理来 看尽管组装在管内的静止元件的单元结构各有不同而单元所起的作用大致可 以分为三种： 单元使流体形状和截面积发生变化，产生剪切作用； 单元对流体产生拉伸作用； 单元使流体旋转，起到自行“搅拌”作用。 这些作用都能使互不相溶的流体达到良好的混合效果。实际使用中，常常根 据流体的粘度，确定单元作用，进而选择静止元件类型。无论是层流还是湍流， 静态混合器使流体混台的机理都包括“分割一位置移动一重新汇合”的三要素， 而各种混合器的差异不过是作为混合三要素之首的分割方式的不同而己。值得注 意的是分割手段的不同，使混合器的结构和混合性能有很大的差别。 1 1 3 静态混合器的种类 静态混台器可分两大类。一类是由波纹片、窄板条等成空间交错排列而成， 二类是由扭旋叶片构成。我们分别介绍如下： l 、由被纹片、窄板条等成空间交错排列而成的静态混合器主要有s v 型、 s l 型、s x 犁等州【5 i 。 ( i ) s v 型静态混合器 s v 型静态混合器的结构是利用波纹扳组成的混合元件填充在标准管内，板 片的波纹与管轴线成定角度，相迭波纹板的波纹倾角与管轴线对称分布且各 相邻混合单元的波纹板错开9 0 。，这样所形成的流通通道既交叉又立体。因此 比较适合于粘度0i p a5 的液一液、液一气、气一气的混合、乳化、反应、吸 收、革取、强化传热过程。其结构示意简图见图l l 所示。 图1 - is v 型静态混合器结构 f i g1 - ig e o m e t r yo f s vs t a t i cm i x e r 天津大学硕士学位论文第一章立献综述 ( 2 ) s l 型静态混合器 s l 型静态混合器内部也是由交叉的横条构成，但每单元的横条与轴成3 0 。 排列。比较适用于化工、石油、油脂等行业中粘度 1 0 p a5 或伴有高聚物介质 的混合。同时进行传热、混合和传热反应的热交换器、加热或冷却粘性产品等单 元操作液一液，液一固相混合，其结构示意简图见图1 - 2 所示。 茸 图1 - 2s l 型静态混合器结构 f i gl 一2 9 e o m e t r yo f s ls t a t i c m i x e r ( 3 ) s x 型静态混合器 图l - 3s x 型静态混合器结构 f i g 卜3g e o m e t r yo f s xs t a t i cm i x e r s x 型静态混合器内部结构是由交叉的横条构成每单元的横条与轴成4 5 。 排列。主要适用于粘度1 0 p as 的中高粘度被一液反应、混合、吸收过程或生 产高聚物流体的棍合、反应过程。处理量较大时效果更佳，其结构示意简图见图 l - 3 所示。 2 由扭旋叶片构成的静态混合器主要有s h 型、k e n i c s 犁、日术东丽型等。 f 1 ) s h 型静态混合器 s h 型静态混合器叉称双螺旋形静态混合器。s h 型静态混合器在每一横截面 h 具有两个并行通道。每一通道内设置插入向左或向右扭成1 8 0 。的叶片单元体 和中问室。并错开9 0 。捧列。主要适片j 于精细化工、塑料、合成纤维、矿冶等 无律大学硕士学位论文第璋文献综述 部门的混合、乳化、配色、注塑纺丝、传热等过程对流量小、混合要求高的中 高粘度( 粘度1 0 3 p a5 ) 的清洁介质尤为适合。其结构示意简图见l _ 4 图所示。 图l _ 4s h 型静态混合嚣结构 f i 9 1 - 4 9 c o m e u yo f s hs t a t i c m i x e r ( 2 ) k e n i c s 型静态混合器 k c n i c s 型静态混合器内部结构由扭成1 8 0 的叶片单元体错开9 0 。排列而 成。适用于化工、石油、制药、食品、精细化工、塑料、环保、舍成纤维、矿冶 等部门的混合、反应、吸收、萃取、配色、注塑、传热过程。对较小流量并伴有 杂质或粘度1 0 3 p as 的高粘性介质尤为适j j j ，其结构示意简图见图1 - 5 所示。 斟i - 5s k 型静态混合器结构 f i gi - 5g e o m e t r yo f s ks t a t i c m i x e r ( 3 ) 日本东丽型 日本东丽型静态混合器的结构是由几个单元混合器和短管段法兰组成，而一 个单元混台器是具有两排通道，每个通道里有月j 螺旋叶片卷成1 8 0 。叉把通道 分成两个部分，在两个单元混合器之间有一个收集混合流体的地方称为中间室， 两个相邻单元混合器的螺旋叶片旋向是刚好相反。混合器根据使用的不同场合所 串联的个数也不刷。 对于粘性物料的混合，物料通过东丽型静态混合器分割的层数之问的关系 为： n = kx 4 ” r i - 式中：n 物料流腔被分割的层数 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 l ( - 静态混合器入口处的组分数 旷静态混合器元件的个数 当n = 2 ，k = 2 时，n = 3 2 ； 当n - - 4 ，k = 2 时，n = 5 1 2 。 1 1 4 静态混合器的选型 静态混合器是一种新设备，系统完整的设计方法尚处于形成过程中。对某一 具体工艺过程选择合适的静态混合器，需要借助基础研究和实际经验，做半经验 半理论的估算。在混合过程及反应过程中，要选择合适的静态混合器类型以满足 工艺的不同要求。混合单元结构不同，所产生的流体流动形态及性能也不同。在 选择时应考虑流体特征、要求的混合程度、压降、直径、长度、剪切率、流体停 留时间、滞留体积以及传热、传质等因素；另外还要考虑放大设计的可靠性、设 备成本、操作费用和清洗能力等。一般情况下，直接利用基础研究的数据和实践 经验，就可进行预设计。对有些过程还需要进行实验研究，才能选定合适的静态 混合器。对静态混合器的实验研究也比较简单：准备要研究的静态混合器，选用 合适的流体，再配以所需的测量仪器和必要的加热或冷却设备，就可测量静态混 合器的压力降、停留时问分布、传热特性、混合效果( 液滴的混合直径) 、传质性 能等参数。 对于互浴性流体的混合，在选择和设计静态混合器时，可按下述三个步骤进 行【6 】： ( 1 ) 根据混合条件，如被处理物系的特性、配比、对混合的不同要求等选定 合适的混合器类型。了解各类常见静态混合器的性能与适用范围是必要的。 ( 2 ) 确定了混合器的类型后，根据所需的混合要求，查有关混合性能图。得 所需混合器相对长度l d 。由于实际工艺过程中，有关条件如雷诺数、体积流率 比、粘度、粘度比、加料方式等与性能图得实验条件不尽相同，所以应根据实际 情况作些必要得修正。 ( 3 ) 静态混合器的类型和长径比确定后，还需进行压力降的核算，使其符合 工程上的要求，由此而选定混合器内径、水力直径和长度。 1 2 静态混合器的研究方法介绍 国内外学者关于各种犁式的静态混合器的报道都很多。这些报道，从研究内 容上讲，主要集中在以下几个方面：速度场、压降、停留时间分布、功率耗散、 传热、液滴破碎等，当然更多的是静态混合器混合性能的研究。从研究的手段上 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 讲，主要分为实验和数值模拟两方面。从研究的物系上分，主要是液相或液一液 相，还有一些学者研究气一液相、液一固相和气一固相。本文以静态混合器的研 究内容为主线，简单介绍一下三方面的研究方法等：流体力学性能、传热性能、 混合性能。 1 2 1 静态混合器的流体力学性能研究 这里，静态混合器的流体力学性能是指流体流经静态混合器时产生的速度场 以及所产生的压强。 1 2 1 1 流体流动实验测量方法介绍 目前实验测量速度场主要方法有：激光多普勒测速仪( l d a ) 、相位多普勒粒 子分析仪( p d p a ) 、粒子成像速度场仪( p 1 v ) 以及声学多普勒水流仪( a d v ) 等， 下面对这些方法进行一些简单的介绍。 激光多普勒测速仪( l d v 或l d a ) 激光多普勒测速仪是根据光学多普勒效应研制而成的一种测速仪器。光源照 射到物体上，若两者之间存在相对运动，那么物体所接收到的频率与光源本身的 频率不同，这种频率偏移现象称为多普勒效应【7 】。在l d a 测速中，当一束具有 单一频率的激光入射到某个运动粒子上时，粒子接收到的光波频率与入射光频率 会有差异，其大小同粒子运动速度以及入射光角度有关。如果用一个静止的光检 测器( 光电倍增管) 来接收粒子的散射光，那么接收到的光波信号就经历了两次 多普勒效应。粒子的运动速度与多普勒频移之间成线性关系： z ，：一上 川2 s i n ( o 2 ) ( 1 2 ) 式中，厂。是多普勒频移，九是激光波长，0 是两束光夹角。 值得注意的是，l d a 测鼍得到的速度并不是流体质点速度，而是流体中悬 浮粒子的速度，因此会产生粒子跟随性问题。实际测量体系中存在的自然微粒( 如 空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子) 大多具有很好的跟随性，无需加入额外的 散射粒子。如需人工播粒，一般微米量级的粒子可以兼顾到跟随性和l d a 测量 要求。 激光多普勒测速仪的特点是非接触测量，激光交点就是测量点，可用于高 温、高压、强腐蚀性流体的测量；对速度场无干扰；测速范围很宽，流速可以从 数毫米秒到数千米秒：能在很小体积中测量；动态响应快，可迅速地进行实时 测量，是测量瞬时运动速度的有效手段；精度高：线性好；基本与流体其它特性 ( 如温度、压力、粘度) 无关，这为计算和测试仪器的指示带来很大的方便，因 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 而激光多普勒测速仪能用于热丝流速仪难以测量的速度场，尤其适用于边界层流 动、湍流、两相流以及其它复杂速度场的研究。 l d a 在搅拌设备【8 】【9 1 、塔式设备【l o 】【1 l 】、射流及湍流【1 2 】、传热和传质、燃烧 的研究中具有广泛的应用。 相位多普勒技术( p d p a 或p d a ) 相位多普勒技术【b 】发明于1 9 7 5 年，它的市场产品诞生于上世纪8 0 年代末， 所谓相位多普勒技术是利用随流体而运动的粒子同时测量流体速度和粒子粒径 的泛称，是一种两相流测量仪器。相位多普勒粒子测速仪的测速原理与l d a 相 同，就是利用测得的信号频率来测量速度，其粒径测量原理是利用测量信号的相 位来测量粒径。 粒子成像速度场仪( p i v ) 粒子成像速度场仪【1 4 】，本质上是速度场显示技术的新发展，传统流动显示是 实验流体力学的一个重要组成部分，它的主要任务是把流动的某些性质加以直观 表示，以便对流动获得全面发展的定性认识，但很难提供详细的定量结果。p w 技术是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动 测量技术。p i v 技术的基本原理就是在速度场中撒入示踪粒子，以粒子速度代表 其在速度场相应位置处流体的运动速度。应用强光( 片形光束) 照射速度场中的 二个测试平面，用成像的方法记录下两次或者多次曝光的粒子位置，用图像分析 技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光时间间隔便可得到速度场中各点的流 速矢量，并计算出其他运动参量( 包括速度场速度矢量图、速度分量图、流线图、 旋度图等) 。 声学多普勒流速仪( a d v ) a d v 是一种非接触式、单点、高分辨率、三维多普勒流速计，专门用于水 中流动的测量，所以又称声学流速仪。它诞生于上个世纪9 0 年代，但由于具有 操作简单；安装方便；能在遥控体积中精确、快速、三维速度测量；无定期校准 要求；能对湍流参数作直接计算；以及极好的低速流动性能等优点而迅速获得了 市场的认可。 当然，如果不限于精确的速度场研究，还可以借助其他一些实验方法考察流 体的流动特性，例如k h i r e c h i b 】等利用电化学剪切速率传感器，根据电信号和局 部剪切率及速度梯度的波动速率的关系分析出静态混合器中流体的流动犁式。 综上所述，在速度场测量技术方面有多种可选择的方法，本文根据实际情况 选用激光多普勒测速仪( l d a ) 进行速度场的测量。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 1 2 速度场及压降的数值模拟 由于管内混合元件的安装，使得管内实际流动状态特别复杂，即使是层流状 态下，也不能同空管一样简单得到流速分布情况，湍流情况更为复杂。同时，由 于绝大多数静态混合器的结构复杂，导致深入混合器内部的实验研究不仅耗时而 且对测量手段的要求很高，因此，相关的研究主要集中在数值模拟方面。 大多数报道的结果显示静态混合器的速度场由雷诺数、混合元件的结构、摆 放形式及个数等条件决定。d m h o b b s 等【1 6 1 应用有限元计算研究了k e n i c s 静态 混合器在低雷诺数下流动行为，他考虑了之前研究通常忽略静态混合器的叶片厚 度以及元件之间的过渡问题，并注重其内部的流动形态；研究表明速度场显示出 与混合元件更替相对应的周期变化；同时得到结论，雷诺数大于1 0 后，速度场 分布开始随雷诺数增大而变化。j m z a l c ，m u z z i o 等人【1 7 】通过对s m x 静态混合 器速度场和压降的研究也得到类似的结论，即雷诺数小于l 时，流动状况基本与 流速大小无关，当雷诺数超过1 后，流动性质才开始发生变化。m a r t e nr e g n e r i l 8 】 等对元件更替及元件结构引起的二次流进行了分析，同时考察了旋涡的强度和对 压降产生的影响。还有一些学者主要针对流体压降进行研究，例如h y u n s e o b s o n g 1 9 】主要考察了k e n i c s 静态混合器的压降情况，并得出摩擦因子与雷诺数和 混合元件长径比的关联式。 综合大量学者的研究发现，对速度场( 液相) 的表征主要有以下几种参数： 1 速度大小及其分布 2 速度矢量 3 螺旋性的大小及分布 螺旋性的大小可由下式求得： h = ( v xv ) 1 ，( 1 3 ) 4 湍动能的强度及分布 5 二次流大小及分布 二次流流量的大小可由式( 1 _ 4 ) 求得： 鳓= l x l 甲一一k i 。i ( 1 4 ) 式中，下标s d 代表二次流，甲是流函数，其定义为： a w ：坐一d v ( 1 5 ) 砂 舐 6 标准化速度的概率密度函数( p d f ) ，定义如下，标准化三维速度由式( 1 6 ) 求得： 1 ，：2 南，1 ，：2 丽v fr ，1 ，；2 旆 v j2 碲咋2 丽2 碲 ( 1 - 6 ) 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 则速度v 对应的概论密度函数为： = 专鬻 。= l ( v v + v v t ) 孝= d ：d r l ；= 陲b 巩l - 孝= l j 2 降手b 巩r 舻晶 其中， 阼口= o ； 同，同为标准化的形变和旋涡张量，对于纯粹的旋转流动来说， 对于单纯的拉伸流动来说，同= 二= l ；对于简单的剪切流动( 例如， 空圆管内的流动) 来说， 刖司， 口= 0 5 。 而通常评价静态混合器的压斛2 玎( 液相) 的方法有三种： 首先是无量纲的z 因子： z ：坐芝 印d ( 1 1 1 ) 它表示流体经过混合元件所产生的压降与同样长度空管压降的相对大小。 其次是摩擦因子f ，其关系式可表示成： 厂：兰d ( 1 1 2 ) 2 p u l 第三种方法是由第二种推导出的，即常数k 。来表示，其推导方法如下所示： n e ：2 ：竺_ d ：c o n s t a n t ( 1 - 1 3 ) p u l r e 胞r e = k p ( 1 1 4 ) 同时，研究普遍将对静态混合器的流体力学性能的充分认识作为传热，混合 等其他方面研究的基础和起点。 ) ) ) ) 7 8 9 0 - 一 1 l 1 1 - ( ( ( 1，l 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 2 静态混合器的传热性能研究 近期国内外开发研究强化传热的发展方向主要有：( 1 ) 有源技术：如利用振 动、电场方法( 2 ) 表面多孔管成型技术( 3 ) 管内插入物技术( 4 ) 壳程强化技术( 5 ) 强化结构组合( 6 ) 波纹管换热器和槽纹管换热器等。在管内静态混合器作为强化 传热的手段可以归为第三类发展方向，实际上也有学者将静态混合器应用到壳 程，这样，静态混合器的应用也可看作是第四类发展方向。 国内外的报道中以数值模拟【2 2 1 的结果居多，在此，我们只考虑与壁面进行换 热的情况。通常，除了要考虑压降和内部的传热系数一氟外，在设计换热器时， 不应考虑静态混合器的其它影响。对与换热器来说，最关键的参数是n u s s e l t 数： n u ：h i _ d d ( 1 一1 5 ) 其中，k 是导热系数。 c y b u l s k i 和w e m e r l 2 3 1 给出了预测加入静态混合器管路的n u 数的普遍关联式 如式1 1 5 。 地：地。+ 口r e 6 p r c 丫旦、4 ( 1 - 1 6 ) 。 l 上 其中，n u o 指的是纯导热，p r 为p r a n d t l 数，其定义如下： p r ：竺2( 1 1 7 ) 上式中，c 。为管内流体的比热。 表1 1 中给出一些发表的关于管内设置静态混合器的n u 关联式。表中所示 的关联式中都考虑到三d 这一项，表明流体在壁面的更新是有限的，温度边界层 在静态混合器处没有得到充分发展。根据经验，加入k e n i c s 静态混合器后，传 热系数增大2 3 倍，加入s m x 静态混合器后，传热系数约增大5 倍。另外，j i l d e r t e v i s s e r 2 4 1 等通过对比实验数据和计算结果，发现计算得到的壁面的传热系数系 数明显小于实验值，原因是忽略了混合元件叶片的热传导作用。 还有些学者【2 9 】提出了一种表面更新理论来表征管内出现的冷凝或汽化现象 n u 关联式如式1 1 8 所示： n u = a p r - r e l 瞅詈) 时1 锵 _ 式1 一1 8 中的下标m 指的是气一液混合物，日唐是潜热，日印是显热，下标w 指的是壁面的特性，x 是冷凝器出口的气相分率。 j 屹e r 和l i n l 3 0 定义了一个新的参数日可同时考虑加入静态混合器后传热和 压降的变化，其定义式见式l 1 9 。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 t t 也协 a q a p ) w i l 、一 、 爿= f 了一 ( 1 1 9 ) 乜h 酬f a q 廿k h o m 咖， 、一 在式l - 1 8 中，指的是热通量，彳。是传热面积。a z e r 和l i n 得到的实验 结果表明，值随雷诺数的增加而降低，主要原因是在湍流情况下，压降随雷 诺数的增加急剧增大。静态混合器在强制对流，单相流动或过冷( 欠热) 沸腾， 泡核沸腾场合的应用非常有效，因为加入静态混合器后传热得到强化，而压降增 加得较少。在低雷诺数下，单位压降所带来的热通量是随着r e 数增大而增加的。 表1 1 管内加入不同静态混合器的n u 关联式 n u = 3 6 5 + 3 8 9 ( r e 姗 r e 2 0 0 0 g r a c e 2 5 1 ( 1 9 7 1 ) n u = 6 l1 ( m 三才1l 三 r e 7 0 0 k e n i c s n u = 0 1r e n s p r 。4 ( 罢) 。7 1 7 0 0 r e 1 0 0 0 t o o r ui s h i k a w a n u = 1 4r e 。 s 7 3p r l 3 恨2 0 1 4 ( 6 6 0 i r e 2 0 0a n dt a m o t u k a m i y a 2 7 1 ( 19 9 6 ) n u = 3 5 5 r e n p r 。- 4 ( d ) 。2 5 p r 。1 4 l a m i n a rr e g i m el ie ta 1 【2 8 ( 19 9 6 ) s m x c y b u l s k i a n d n u = 2 6 r e 0 3 6p r o 3 6 10 0 0 r e l0 0 0 0 0 w e m e r ( 19 8 6 ) c y b u l s k i a n d s m v n u = 2 r e 0 4 p r 0 4 t u r b u l e n tr e g i m e w e r n e r ( 19 8 6 ) 1 2 3 静态混合器的混合性能研究 对静态混合器混合性能的实验研究主要目的是定性观察附加流股与主流体 的相互混合效果，如果将得到的出口截面的图像进行一些后处理，可以将图像信 息转化为定量的结烈3 1 1 。应用较多的是采用激光诱导荧光剂，高倍相机摄像，分 析图像的实验方法。例如，r w a d l e y 和m k d a w s o n 3 2 】采用激光诱导荧光技术 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 ( l i f ) 收集了s u l z e rs m v 和c h e m i n e e rk m ，h e v 三种静态混合器的大量混合 数据，数据表明经过每一个混合元件得到的混合质量( c o v ) 与主流和加入流股 的速率之比无关，这一结论与静态混合器生产商所提供的关联式是矛盾的。e r i c f o u r c a d e 和r o bw a d l e y 3 3 】通过l i f 实验验证了c f d 计算得到的附加流体条纹分 布样式。 相对于实验研究来说，对静态混合器的数值计算方面的研究方向要广泛得 多，因此也使得越来越的学者采用计算机手段进行研究。h o b b s 【3 4 】等通过研究相 邻混合元件结合处流体横截面的示踪粒子的轨迹线，定性的描述了其混合过程特 征，同时建立了流体混合状态与流经混合器的轴向距离之间的方程，定量描述了 混合性能。研究结果说明k e n i c s 静态混合器的混合过程是一种无序混合。 j m z a l c 3 5 1 等采用计算示踪粒子的流动轨迹的方法，着重比较层流情况下( r e 数 在l 到1 0 0 之间) ，不同粒子加入位置和不同流速对s m x 静态混合器混合效果 的影响；比较的方法主要是定性观察粒子在出口截面的分布以及定量比较示踪流 体的拉伸情况。 用来评价混合效果的参数有很多，g r o s z r 6 1 1 ( 1 9 8 0 ) 曾列出5 0 多种参数，不 过，有些参数的定义不明确而且它们都有各自的优缺点，不好比较。而且很多参 数都有各自最适合的应用场合，无法找出使用于所有应用的统一标准。经过多年 积累，以下几种评价混合性能的标准应用最为广泛【3 6 】【3 7 】： 1 相对标准偏差 以两种组分混合为例，设组分1 的浓度为q ，满足0 c 。 c f n 1 ( 1 2 5 ) 3 停留时间分布 停留时间分布是一种评价混合效果的简单方法。通常来说，分布曲线越狭窄， 混合效果越好。但是，o t t i n o 3 8 1 表示单纯从r t d 曲线的分布来分析，窄的峰形不 一定代表均匀的混合。 4 拉伸 拉伸的定义式见式( 1 - 2 6 ) - 肚m l i m 黼 2 6 ) 式中，d x 是初始片断的长度，出是经过时间t 后的片断的长度。 5 剪切率 对于层流流动，静态混合器中的平均剪切率与速度和元件直径的比值d 成 正比。又因为流量与流速成正比，可以推导出平均剪切率与流量和直径的立方的 l l 值q d 3 成j el l , ，见式。( 1 2 7 ) 。该表达式也可推广应用到湍流流动。 y ： 兰： ，罢(1-27)constant c o n s t a n12 7，= 一= ，j ( 6 应变张量率 7 延伸效率 对于描述速度场特性的参数一应变张量率和延伸效率也可以用来表征静态 混合器混合性能的好坏，其表达式见式( 1 - 8 ) ( 1 1 0 ) 。 混合有分散混合与分布混合之分，两种互不相溶液体的混合属于分散混合。 分散混合时，分散相的液体在混合过程中被分散成液滴，混合程度的好坏可以用 液滴的大小和分布表示，液滴分散得越细越均匀，混合得越好。固体颗粒与液体 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 之间的混合则与不相溶液体间的混合不同，由于固体颗粒通过混合器时，颗粒大 小不会发生变化，只是空间的分布由不均匀变得均匀，因而这种混合称为分布混 合。以上的表征参数中，r s d 和c o v 是分布式混合的标准，而停留时间分布、 拉伸、应变张量率、延伸效率、剪切率均为分散式混合标准。 1 2 4 其他研究 还有一些学者对静态混合器的研究针对其它的方向，例如，同样是液一液相， p a r i c h a yk d a s ”】着重于液滴破裂模型的探讨，他们将流体流经静态混合器比拟 为流过多孔介质，在此假设上发展了两种新的适于中低雷诺数和不同分散相和连 续相粘度比的情况的液滴破裂理论模型。边界层剪切力的概念被用来预测液滴破 裂状况，同时还考虑到惯性的影响。研究表明，p a r i c h a yk d