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摘要 新型高剪切均质机的理论分析与设计 研究生姓名：张勇 导师姓名、陈云飞教授 东南大学 摘要 本文首先分析了非均质流体的悬浮液的稳定性和流动特性，揭示了物料均质的本质，并利用流 体动力学及材料力学的理论，对均质机的受力情况和机内的流体运动情况进行了全面的分析。通过 分析得出了定转子间流体的槽道层流、槽道湍流、回旋层流、回旋湍流的机理与空穴效应，确定了 高剪切均质机的受力情况与约束条件。这些为新型高剪切均质机的设计提供了理论基础和设计依据。 根据均质机的理论基础，结合国内外现有专利技术设计出了一种新型高剪切均质机。这种均质 机的主要特点是定子槽道沿着径向开设，转子槽道沿着基圆的切向开设。在p r o e 中建立均质机的 关键元件转子的实体模型。为了使转子能够满足强度要求，防止在高速转动时因间隙过小受离心力 作用而碰撞定子，避免因固有频率和激振力频率相近而发生共振，在a n s y s 中对的应力、变形、 振动等力学性能进行了数值仿真。为高剪切均质机关键结构的设计和研究提供了依据。 对新型高剪切均质机关键部分定转子问隙区、定子槽道区、转子槽道区的内部流场进行了理论 分析。利用计算流体力学通用软件f l u e n t 对整体流场和定转子间隙区流场中周向流速度场进行了 数值模拟。并对理论分析进行了补充。 本课题在对高剪切均质机主要均质机理作系统研究的基础上设计的新型高剪切均质机，以及对 其力学性能和内部流场进行的数值仿真为今后高剪切均质机的进一步研究奠定了基础。 关键词：剪切 均质a n s y s 仿真 f l u e n t a b s l r a ( 玎 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g no f n e w - t y p eh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r c a n d i d a t e f o r m a s t e r z h a n g y o n g a d v i s e r ：p r o f c h e ny u n f e i s o u f l m a s tu n i w r s i t y a b s t r a c t f i r s t l y ，t h es t a b i l i t yo f t h as u s p e n s i o na n dt h ef l u i d 时c h a r a c t e ro f t h en o n - h o m o g e n i z i n gl i q u i dh a v e b e e na n a l y z e da n dt h ee 踮e n c eo ft i l em e c h a n i s mh a sb e e no p e n e do u t o nt h eb a s eo ft h e o r yo f h y d r o d y n a m i c sa n dm e c h a n i c so fm a t e r i a l s , t h el o a ds i t u a t i o no fh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e ra n dt h e h y d r o - m o t i o ni nh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e rh a v eb e e na n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e i t 确em e c h a n i s mo f l a m i n a rf l o w si nt r o u g h , t u r b u l e n tf l o w si nt r o u 曲，c o n v o l u t el a m i n a rf l o w sa n dc o n v o l u t et u r b u l e mf l o w s w e r ee d u c e d n 圮f o r c ea n dr e s t r i c t i o no fh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e rw a sd e t o r m i n e d t h e s ep r o v i d e d t h e o r e t i cb a s i sa n dd e s i g nr e f e r e n c ef o rn e wd e s i g no f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r t h e n ，o nt h eb a s eo f t h et h e o r yo f h o m o g e n i z e ra n dp a t e n t si ne x i s t e n c e ，an e wt y p eo f h i g h - s h e a r i n g h o m o g e n i z e rw a sd e s i g n e d t h et r o u g h so f s t a t o rw e f er a d i a l t h et o u g h so fr o t o rw e r ea tt a n g e n to f b a s i s c i r c l e as o l i dm o d e lo fr o t o r , k e yc o m p o n e 吐w a sb u i l ti np r o e s t r e s s ，d i s t o r t i o na n dv i b r a t i o nw a s i m i t a t e dw i t ha n s y s ，i no r d e rt oi n s u r ei n t e a s i o n , t op r e v e n ti m p a c ts t a t o ro w i n gt oh i g h - s p e e dw h e e l ，t o a v o i dr e s o n a o c eo w i n gt ot h ea d j a c e n c eo fn a t u r a lf r e q u e n c ya n de x c i t i n g 厅e q u e n c y t h e s ep r o v i d e d r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dr e s e a r c hk e ys t r u c t u r eo f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r l a s t , t h ef l o wf i e l d so ft h eh yp a r t so ft h en e w - t y p eh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r , t h ec l e a r a n c e b e t w e e ns t a t o ra n dr o t o r t h et r o u g h so f s t a t o ra n dt h et r o u g h so f r o t o r , w 6 q ea n a l y z e di nt h e o r y t h ef i e l do f w h o l ef l o wf i e l da n dt a n g e n t i a lv a l o e i t yb e t w e e nk a t o ra n dr o t o rw e i m i t a t e db a s e do nf l u e n t t h e a n a l y s i si nt h e o r yw a sr e p l e n i s h e d t h ed e s i g na n di m i t a t i o no fd y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n df l o wf i e l do fn e w - t y p eh i g h - s h e a r i n g h o m o g e n i z e rw o u l de s t a b l i s har e s e a r c hb a s i sf o rh i g i l - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r k e yw o r d s ：s h e a r i n g ，h o m o g e n i z e ，a n s y s ，i m i t a t e ，f l u e n t i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名：童垒丝e l 期：竺竺生z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：受氐塑导师签名e l 强。趟： 矛 ， 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 在食品、化工、制药等行业均质技术已成为提高产品品质的关键。随着人们生活水平的提高， 对食品质量也提出了更高的要求，根据不同的需求，市场上出现了多种形式的乳制品及各色饮料， 其中大部分产品如：牛奶、豆奶、冰淇淋酸奶、果汁等的加工都需经过均质处理。此外，在化工领 域中，均质、分散、乳化加工是必不可少的操作工序单元。均质、乳化设备在化妆品、油漆、染料， 油墨、添加剂等产品加工过程中有广泛的应用，以提高物料的效率和品质。均质技术日益显示出其 优越性，已成为这些行业中对有关流体、半流体产品提高质量所必不可少的工艺过程。目前国内食 品行业使用的传统均质设备多为高压均质机、胶体磨、砂磨等，近年来出现了新型的高剪切均质机 设备。 化工、医药、生物、食品等诸多领域中所遇到的流体大多是由多种成分组成，属于非均质对象 混合物。料液中分散相( 固体颗粒或液滴) 在连续相中的悬浮稳定性与分散相的粒度大小及分布均匀 性相关，粒度越小，分布越均匀，则稳定性越大，所以说，分散相粒径的大小及稳态下的分布是成 品质量的重要标志。虽然经过搅拌、混合工艺，但料液中的球状颗粒或非球状纤维大小仍不能满足 要求，具体体现在：产品不细腻、体系不稳定、沉淀分层现象严重、利用均质技术使料液充分混合， 分散相微粒细化并均匀分布，以防止料液分层，得到高度均匀稳定的分散体系。特别是在现代食品 加工中均质除了可以使乳品、饮料等绝大多数液态食品提高产品稳定性外，还可以提高物料的利用 率。改善饮品的感官品质，提高营养吸收率。由此可见，在这些行业有关产品的加工中均质的作用 越来越重要。 1 2 均质的介绍 所谓均质( h o m o g e n i z i n g ) ，就是将液态物料中的固体颗粒打碎，使固体颗粒实现超细化，并形 成均匀的悬浮乳化液的工艺过程。因此，均质即是湿法超细粉碎的代名词。在液态食品物料超细粉 碎均质应用技术领域中，除高压均质技术外，目前还有液力超细均质技术、超声波超细均质技术、 高剪切超细均质技术等。液力均质技术是使高压液体( 通常大于2 0 0 m p a ) 通过喷射器加速，形成高速 射流，带动其中的固体颗粒作高速运动，然后与靶板( 超硬材料，如纯陶瓷、金刚石或宝石) 或相反 方向的另一股射流形成高速碰撞，由于强烈撞击以及金刚石产生的超声振动，使其中的固体物料被 超细化。液力超细化均质主要有两种形式：靶板式和对撞式。超声波均质技术是使用特定的超声波发 生器在液料中产生超声波，通过超声波的能量传递与转换，使液体产生超声振动，振动的液体内部 产生商频局部压力( 局部最高压力可达8 0 0 m p a 以上) 振动，液体中的固体颗粒在交变压力作用下被细 化。剪切均质技术主要是针对部分纤维状物辩开发面成的，由于纤维状物料其韧性较大，不易在高 压或超声波环境下被超细化，而最有效的力场是剪切力场和研磨力场。因此，人们采用了动定转子、 东南大学硕士学位论文 双转子结构实现物料的超细化。其典型的均质设备有：砂轮磨、胶体磨、高剪切均质机等。 随着人们对均质乳化作用的不断认识和研究，均质技术得到了迅猛的发展，相应地出现了多种不 嗣形式的均质机，其中典型的有高压均质机、离心式均质机、胶体磨、超声波均质机和剪切式均质 机。它们已在食品、制药、化妆品等行业中得到广泛应用，不同形式均质机的使用范围有所不同， 我们可以根据物料的浓度、粘度等特性的不同，选择相应的均质设各。高压均质机、离心式均质机、 超声均质机由于其结构复杂、成本高、能耗大、维修不方便等缺点。使得它们的应用有一定的局限 性。近年来，高剪切式均质机，以其独特的剪切分散机理和低成本、超细化、高质量、高效率等优 点在众多的工业领域中得到普遍应用，并在某些领域逐渐地替代传统的均质机。 1 3 本课题的提出及研究意义 国外研制并生产均质机械较早，早在3 0 年代就生产并使用均质机且应用于工业生产。高剪切均 质机作为均质机械中的佼佼者，也被广泛地认识和研究。自从1 9 4 8 年德国f l u k o 公司首次发明了应 用高剪切原理制成分散乳化设备，高剪切分散乳化设备已经出现了多种系列产品，在世界均葳机械 行业处于领先地位。近年来，国外，特别是欧洲一些国家在高剪切分散均质机行业得到迅速发展， 并在很多领域发挥着重大作用，如化妆品、制药、食品、涂料、粘合剂等。国外所研制的剪切式均 质设备基本上是剪切式均质技术作为一种新型微米技术，已广泛应用于食品、医药、轻化、微生物 等诸多行业，并得到迅速发展，已成为这些行业中对有关流体、半流体产品提高产品品质所必不可 少的工艺过程1 1 胴【3 】 美国和欧洲等国家在高剪切均质机的研究和开发方面都取得了显著进展。如美国 i k a - 眦k e g m h b c o k g 生产的多系列分散设备；美国r o s s 公司研制的高剪切混合乳化机i 德国 i l ( - m a s c h i n e n b a u 公司研制的u l t r a 分散机；德国y s t r a l 公司生产的x 4 0 型分散搅拌机；德国f l u k o 公司研制的系列高剪切分散乳化机、管线式高剪切分散乳化机、管式分散乳化机、间歇式高剪切与 问歇式无轴承分散乳化机、高效强力分散乳化机：瑞士k i n e m a t i c a 公司生产的f o l y t o r a n 盘式分散 混合视等世界领先高科技产品，相应地国外也出现了该类均质机的专利【4 1 研嘲研 我国研制并生产均质机械比较落后，与国外相比。起步晚、发展比较慢。至今，许多行业仍普 遍采用传统的高压均质机。我国的均质机研制并生产是从5 0 年代开始的，直到8 0 年代才开始逐渐 地生产均质机，而且大多是传统的高压均质设备。随着国外均质机的迅速发展，近年来科研人员、 相关企业开始重视对该类均质机的研究，国家专利局从9 0 年代中期已陆续接受了一批专利申请 哪9 1 0 i ”j 。目前，已建立了与国外厂商联营、合资研制生产剪切式均质机的公司，如上海弗鲁克( f l i k o ) 机电设备有限公司；中美合资南通罗斯( r o s s ) 混合设备有限公司等。现在国内有许多厂家开始生产 高剪切均质机，如启东市长江机电有限公司、上海环保设备总厂、上海威宇机电制造系列剪切式均 质机；无锡轻大食品装备有限公司进行实验型剪切式均质机的研究与设计。基于此，有必要对均质 技术投入更多的研究和探讨。本文就是从这样一个历史背景出发，通过对均质理论的学习及研究， 通过大量的实验分析研究。设计出了一种节能新型的高剪切均质机。 2 第一章绪论 1 4 课题的研究目的及主要研究内容 1 4 1 研究方法 因为超细化过程涉及到的物料是流体。因此，流体力学这一理论工具就显得尤为重要。应用流 体力学进行分析超细化这一过程实质，与用流体力学解决其他问题比较相似，可以借鉴流体力学在 其他领域中的应用成果，但需要根据超细化这一过程的特殊性进行适当的修正。流体力学的研究方 法和物理学中的其他领域一样，有理论、计算和实验三种。三种方法取长补短，相互健进，彼此相 互影响，相互验证。理论分析一般包括以下步骤：1 ) 通过实验和观察对流体的物理性质及运动特性 进行分析研究，分清哪些是主要因素，哪些是次要因素，然后，抓主要因素忽略次要因素对流体运 动进行简化和近似，设计合理的理论模型；2 ) 对于上述模型进行总结，概括出某些普遍定律以及有 关流体性质的实验公式，建立描写流体运动的封闭方程组；3 ) 利用数学工具进行简化，以便求解； 4 ) 求出方程的解后与实验或观察资料进行对比，确定解的准确程度及适用范围。计算方法是理论研 究方法的完善和补充，因为对于某些复杂的流动现象，纯粹的理论分析是得不到精确解的，原因在 于数学发展水平不足以完成精确求解。近年来，计算流体力学获得了长足的发展，围绕边界层理论 和湍流两大流体工程技术难题，2 0 世纪5 0 - 6 0 年- 代问世了多层边界层理论。本世纪6 0 - 7 0 年代问世的 扩散抛物化( d p ) n s 方程组理论，则是适用于全域流场的n s 方程组简化理论：而适用于湍流计算的 r e y n o i d s 时间平均n s ( r a m s ) 方程组和在1 9 6 3 年问世的大涡模拟( l e s ) 方程组在计算流体力学中获得 了广泛的应用。随着计算流体力学( o f d ) 领域的迅速扩张和c f d 文献的剧增，人们越来越关注求解流 体运动诸方程的计算精度、数值方法固有的限制以及如何充分利用算出的浩瀚数值海洋来揭示流动 机理等问题。然而，数值计算的方法也有其局限性，它要求对问题的物理特性有足够的了解。需要 较精确的数学模型为计算依据，正是在这方面，理论分析和实验方法起到了数值方法所不能起到的 作用。实验研究方法在流体力学中有着广泛的应用，因为实验研究是理论分析和数值计算结果的直 接检验。但是，实验研究往往受到实验条件、观测条件等方面的限制不能完全掌握流体运动的内在 运动规律 1 4 , 2 研究内容 本课题研究内容就是在对高剪切均质机主要均质机理作系统研究的基础上结合国内外现有专利 技术设计出一种新型高剪切均质机，并针对该新型高剪切均质机的特殊结构提出其不同于以往其它 机型的理论。具体研究内容为： 1 ) 利用流体力学、流体动力学和离心泵叶轮的理论分析该新型高剪切均质机的内部流场。 2 ) 采用有限元分析软件a n s y s 对该新型高剪切均质机的转子进行静态与模态进行分析。 3 ) 利用f l u e n t 软件对主要的转子间隙区的流场中周向流速度场进行模拟，验证理论的正确性。 并对整体流场进行模拟，直观反映内部的流动情况。 3 东南大学硕士学位论文 第二章均质基本理论 在工业生产中，均质作业常常是一项不可缺少的单元操作，均质技术已成为一种新型微米技术 在化工、食品、制药、化妆品、涂料、生物工程、石化、印染等三十多个行业中褥到了广泛的应用， 并取得了一定成效。均质技术是集混合、粉碎、分散，溶解、乳化为一体对物科进行有效处理的过 程，即均质是使悬浮液、乳化液体系中分散相颗粒均匀地分散在连续相中的过程，并同时起降低分 散相颗粒尺度的作用，以得到符合一定储存稳定性要求的产品。现在的均质技术对物料的均一程度 也在不断的提高。均质的物料往往是非均质流体，包括含有固体小颗粒、液体小液滴的流体，在本 文中固体和液体颗粒均统一称为颗粒。从概念上和作用上讲。分散、均质、乳化往往难以区分，故 本文统称为均质，对于化工、食品等工业中经常遇到的菲均质液一液相和液一固相分散体系，要达 到高度均一稳定，其均匀度不仅要求分散相分布均匀，而且要求分散相颗粒微细化，含固体的悬浮 液要求固体颗粒微粒化，含液滴的乳状液要求油滴( 称液体颗粒) 微滴化。从乳品及饮料的加工工艺 上看，均质后的料液基本上就是最终产品。也有的是把均质操作单元作为湿式粉碎使用，均质后的 料液经干燥处理后提取其中的固体成分。不管均质操作单元用于何种用途，由于均质过程与料液的 流变特性和颗粒的破碎特性密切相关，所以必须关注这两个特性。当把经均质操作单元处理后的料 液作为最终产品时还必须关注它的稳定性问题。 均质机内的液一液相流体或液一固相流体有其特有的特点，均质过程与物料的流变特性密切相 关，为了更好的研究、设计均质设备，必须首先了解物料的特性。其主要的是基础是流体力学的特 性，现先把流体的基础性质介绍一下。主要从悬浮液的静态理论及非均质流体的流动性质分析。 2 1 静态悬浮液的理论 非均质分散体系主要是胶体系统和粗分散系统。胶体系统指的是分散相颗粒尺寸在0 0 0 1 0 1 u m 尺度的分散系统，而粗分散系统指的是分散相颗粒尺寸大于0 1 u m 的分散系统f 1 4 1 。由于一般悬浮液 和乳状液中所含的分散相颗粒粒径都是在微米级及亚微米级故属于粗分散系统。不稳定的非均质 流体料液在静止状态会发生絮凝，井由于重力作用而很快分层，当把经均质操作单元处理后的料液 作为最终产品时，就是要保证产品在有效期内抗絮凝，防止分层，维持分散相颗粒均匀分布，提高 产品的稳定性。 在粗分散系统中，由于分散相颗粒粒径大于0 1 u m ，所以静态下可以忽略布朗运动效应，由于 分散相颗粒达不到胶体状态，并且两相存在密度差，那么迟早会出现分层现象，分层是分散相在外 力( 重力和离心力) 作用下在分散介质中上浮或下沉的结果。静态下，根据斯托克斯( s t o k e s ) 公式确 定重力作用下分散相球形颗粒的沉降速度为： 。 矿：生：照二旦超 1 8 t ( 2 一1 ) 式中为见一p 分散相与连续相的密度差，g 为重力加速度，d 为分散相颗粒直径，为连续相的粘 4 第二章均质基本理论 度。如果分散相颗粒的密度比连续密度大，颗粒下沉，速度矿正值，反之，颗粒上浮，速度为负值。 沉降速度大，物料易分层。要保持体系稳定，必须降低沉降速度，对于特定物料可以通过减小分散 相直径d ，只有当粒径减至接近于连续相液体分子大小时，细小微粒便稳定、均匀地分散在液体中 不发生分离。 从以上分析可以看出，要提高粗分散系统的稳定性，分散相颗粒尽量减小，但应该指出，随着 颗粒粒径的减小，虽然由重力引起的分离作用变为次要，但由于颗粒间距的减小，颗粒问的结合力( 范 德华力等) 起重要作用。另外，当颗粒直径小于某一细小尺寸时，由于颗粒的布朗运动，而产生颗粒 的碰撞，有可能造成颗粒絮凝而造成颗粒沉降。所以说，颗粒并非越细越好，要视物料的特性而定。 均质就是根据物料的特点，减小分散相颗粒的粒度，使其分布于一个较窄的尺寸范围，并达到吸力 与斥力的平衡，保证体系的稳定。这就是均质技术发展的动力，本文设计的新型高剪切均质机就是 要能达到根据不同的物料把其均质为可以长期保持稳定的分散相体系。 2 2 非均质流体的流动特性 上节从静态悬浮液的基本理论介绍了均质技术要达到的要求，而在均质的过程中是对非均质流 体的强剪切作用使物料达到高度均匀稳定。在这过程中，非均质流体是在均质机内高速旋转流动的， 所以要知道均质机理，我们还要从基础上了解非均质流体的流动特性。本节就介绍一下非均质流体 的流体特性，可以使读者对本文的了解有一个更深的基础。 由于有分散相的存在，粗分散系统料液的流动特性就有它的特殊性。描述粗分散体系料液流动 特性有两种不同的处理方法。一种方法是流体动力学的处理方法，因为均质过程涉及到的物料主要 是流体。因此，流体力学这一理论工具就显得尤为重要。应用流体力学进行分析均质这一过程实质， 与用流体力学解决其他问题比较相似，可以借鉴流体力学在其他领域中的应用成果，但需要根据均 质这一过程的特殊性进行适当的修正。流体力学的处理方法主要有理论、计算和实验三种。另一种 方法是结构网络的处理方法，就是考虑物质结构的影响，这些物质结构的形成是由于粗分散体系中 微粒或溶液大分子之间的相互作用( 吸引或排斥) 的结果。由于粗分散体系中流体动力和结构力同时 存在，应该用两种方法共同解释其特性，既要用流体动力学的方法解释流体的动力特性以及粘度特 性对流体流动的影响，又要用结构网络的方法解释影响流动特性的结构因素。在研究非均质流体特 性时，一般要考虑以下因素：颗粒大小；分散相体积；流体力学作用力；界面性质。对于均质机内 的流体特性将在下面章节做系统的理论介绍，本节只做简单的基础理论分析。下面从非均质流体的 表观粘度和其中的作用力对流变行为的影响两个方面做一下分析。 2 2 i 非均质流体的表观粘度 牯性直接影响均质效果，以及均质过程中物料的供送能力和所耗功率，设计研究均质机必须考 虑粘度的影响。粘性是流体内部结构的宏观表现，流体的粘度是物料的重要指标，所以这里首先介 绍一下非均质流体的表观粘度。非均质流体具有牛顿流体的特性，其粘度不是常数，用表观粘度作 为非均质流体的重要特性，表观粘度与粘度具有同样的量纲，同样的物理特性。在此，我们讨论分 5 东南大学硕士学位论文 散相的浓度对表观粘度的影响。 爱因斯坦应用流体动力学方法，研究了含球状微粒的连续介质流动场的分布，得出非均质流体 的表观轴度随着颗粒的容积分数的上升而增加的结论，其公式为： 以= 风( 1 + 硎 式中胁为介质粘度( 儿j ) ；口是常数，取2 5 ；为微粒的容积分数，用微粒所占的容积和粗分 散系统总容积的比值来表示。上式为爱因斯坦公式，该式可直接用于完全稀释的粗分散系统，并可 表示为如下形式： 口= 比o ( 1 + j ( 2 3 ) 式中c 为浓度，即单位体积的微粒重量( ，；只为微粒密度( 酶m 3 ) 。对于非球状微粒如 细小纤维，一旦处于流场中，立即沿着流线捧成一行从而具有最小的阻力，此时a = 1 。对于其它 形状的悬浮微粒可认为处于这两种极端情况的范围内。这样方程用形状因子修正，即： 胪南( 1 + 2 5 f 意 心。4 ，x 式中f 为形状因子，f = o 4 1 ，对于微细纤维f = 0 4 ，球状微粒f - - - - - 1 0 。其它微粒可根据微粒 的长径比在0 4 1 0 范围内估算。对于液体球，式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 中的a 不再是2 5 ，必须根 据粗分散系统的粘度来改变。 对于一般粗分散系统，如浓度大于1 情况下，布莱克曼( b r i n k m a n ) 推导出相应公式： 心= 肺( 1 + 桫2 。5 ( 2 5 ) 式中符号意义同式( 2 - 2 ) ，且微粒形状对式( 2 - 1 ) 的影响同样适合于式( 2 - 5 ) 。 粗分散相系统料液的表观粘度随着微粒浓度的增加而增加，浓度很小时，这种变化呈线性关系， 浓度较大时呈非线性关系变化，浓度继续增加，则表观粘度猛烈增加。以牛顿流体为连续相的悬浮 液，自低粘度时呈牛顿性，当浓度增加时，不仅粘度增加，而且还会发展呈现非牛顿性，剪切应力 与速度梯度成非线性，而成为胀塑性流体、拟塑性流体或理想塑性流体。这样就会使均质过程中不 仅供料能力下降，也会使均质功率增大，也就会相应增大能量消耗。 2 2 2 非均质流体中作用力对流变行为的影响 悬浮液中，每一个微粒都被力场所包围，在系统中主要受到重力、范德华力和静电力的影响 由于这些力作用，就使得微粒之间的碰撞与一般的简单碰撞不大相同。如果微粒带着足够的动量在 一起运动，它们最后就会达到与各种力处于相互平衡状态的新位置，并且在这个位置上形成了稳定 的“对子”，在流动中象哑铃一样旋转。如果“对子”旋转的平面与流动方向在同一平面上，流体动 力分隔微粒的能力就大；如果旋转的平面与流动方向垂直流体动力分隔微粒的能力就小。图2 一l 表示了非均质流体处于静止时，非均质流体微粒的随机情况，此时，认为微粒处于平衡的初始状态。 如非均质流体受到剪切作用，这时微粒静止时的原有排列状态就会改变。按照平衡状态的定义，在 第二章均质基本理论 静止时微粒的排列选取最小的能量位置排列。当受到剪切力后改变了原有的排列，在这个过程中将 消耗掉一部分能量，因此，试样在某种意义上表现出类似于固体的特性。如果把应力移去，微粒将 在新的状态下恢复排列。分散微粒的排列与原来静止的排列相类似，也是具有晟低能量位置，好像 呈现出粘弹性。如果微粒不断地受到剪切作用，微粒将很快地形成“对子”或其它絮凝团，并开始 旋转，使非均质流体的粘度显著上升，剪切应力迅速增大。在剪切平面上旋转的“对子”比起在垂 直平面上旋转的“对子”更有可能被分离，因此，微粒就会沿着流体运动的方向象筏一样排列，如 图2 2 所示。剪切速率越大，这种趋势就显著，在剪切平面上旋转的微粒凝聚团存在的趋势就越少。 图 1 静止状态下悬浮徽 粒的随机分布 图2 - 2悬浮微粒在剪切 作用下的排列 在剪切力的作用下，微粒的存在以引起流动阻力最小为条件。应力应变曲线的一般形式如图2 - 3 所示。 。 1 0 2 0 图2 - 3 剪切开始时膀时响应曲线图2 - 4 非均质流俸的剪切稀化现象 随着微粒有规律的排列，应力值逐渐减小，并接近其最小值。如果剪切停止，新的动力平衡确定之 后，微粒将形成最有最小位能的新排列，并且应力也很快松弛。 在非均质流体受到剪切作用时，表观粘度随剪切速率的增加就减小，如图2 _ 4 所示，这就是所 谓剪切减粘的流变行为。如上所述，非均质流体的剪切减粘行为或是由于微粒的变形并与流动顺向， 或是由于增加的剪切应力使结合较弱的微粒微团破碎并随之而减小了有效相体积。剪切减粘行为称 7 东南大学硕士学位论文 为剪切稀化现象，这个现象将有利于料液的均质。当然，也有非均质流体随着剪切速率的提高，其 表观粘度增加的胀塑性流体，总之，由于待均质物料的多样性，不同物料有不同的流变行为。所以 均质过程非常复杂。 z 3 颗粒的变形和破裂 我们已经知道，分散相颗粒大小是影响悬浮液流变特性和稳定性的一个关键因素，较小颗粒的 分散体系，抗絮凝、分层的稳定性高，所以有必要分析探讨均质过程中颗粒的变形和破裂的基本机 理。要使分散相颗粒破裂，必须对颗粒表面提供足够的外来能量，在此能量作用下颗粒发生变形， 当变形力超过使颗粒维持原状的界面张力或强度极限时，颗粒就会破裂。均质机的均质过程就是通 过定转子的高速旋转，给物料流体以足够的商剪切力，使物料在强剪切力的作用下发生形变，当剪 切力大到一定程度时使悬浮液中的小颗粒发生破裂，以达到均质的效果。 研究表明，在液液相分散系中，液滴的变形、破裂及流体力学的稳定性。主要取决与无因次 韦伯准数w e ，以及分散相粘度与连续相粘度之l l ：r ，韦伯准数w e 是变形应力户) 与拉普拉斯恢 复应力( 三) 之比，郎”4 l ： 4 耽：丛( 2 _ 6 ) 其中尹是剪切速率，盯是界面张力，d 为液滴直径。液漓在流体力作用下会发生变形。其变形程度 与韦伯准数成比例。 液一液相分散系中的分散相颗粒直接受到剪切力和压力的作用，在层流流动中，分散相液滴所 受到的应力可分为切向应力和法向应力。切向应力趋向于粒子发生剪切变形，并引起它的旋转，法 向应力则产生粒子内部和外部的压差圪。当速度梯度不大时，液滴在此压差作用下发生变形，但 不破裂，而靠界面张力保持在一起。另一方面，界面张力本身又产生一个界面两侧的压差西，对 豫姗黻潞，啦- - 4 0 - 九舯姗非戢潲，啦噎+ 寺，墨和为籼 面上某两点的曲率半径。当速度梯度相当大时，致使圪 a 0 ，便使液滴破裂。分散相颗粒在 层流状态下，剪切应力f 与剪切速率户的关系为： f = ，矿 ( 2 7 ) 变形情况可用剪切应力f 和界面张力o r 与韦伯准数耽之间的函数关系式表达。即： w e ：旦 ( 2 - 8 ) s 第二章均质基本理论 在湍流状态下，流动场迅速变化，且存在着分散相和连续相之间的相互作用，如由于分散相对 连续相湍流的阻尼作用，使其脉动强度降低流动场中流动相当复杂，为简化起见，在假定湍流是 均匀各向同性的基础上认为液滴的破裂由湍流脉动所致，在这种情况下，液滴受到的粘性剪切力 可忽略。若两相粘度和密度相差不大，则液滴表面将发生振动，其形状相对于平衡的球状而发生变 化，变化足够大时，液滴就不稳定，破裂成两个或更多的小液滴，条件是液滴振动的动能足以提供 破裂后增加的表面能。渡滴振动的动能假定比例于绷“d 3 ，表面能的最小增量是a d 2 ，此时两者的 比值就是韦伯准数，即： 一t 2 w e ：型( 2 - 9 ) d 其中为脉动速度均方值，p “为湍流张力( 又称雷诺应力) ，其大小代表了湍流强度。与式( 2 - 7 ) 比较可得，湍流状态下的剪切作用由液体内湍流强度决定。 研究指出，液滴破裂存在一个临界韦伯准数，该韦伯准数是引构函数。当在应力作用下韦伯准 数小于临界韦伯准数时，则液滴变形，当在应力作用下的韦伯准数大于临界韦伯准数时，则液滴破 裂。 在液一囿相分散系中，悬浮的固体颗粒在液体中也会受到类似的应力作用，当这类应力超过了 使固体维持其完整性的强度极限时，粒子便发生变形、破碎。但若固体颗粒的强度极限较高。完全 靠液力作用，则很难破碎，并且有一些固体颗粒，如纤维材料，则更难靠完全的液力剪切作用，所 以，要有好的均质效果，则应该增加机械剪切力作用。这里仅仅介绍了悬浮液内的悬浮物的受力变 形的分析，对于高剪切均质机内的流体由于各种原因，运动情况很复杂，而且可以从各个方面加强 物料的受力，提高均质效率。比如可以使物料在自由湍流状态下达到充分混合，进而可以使料液在 层流、湍流状态下受高剪切作用；可以使物料内产生高频压力波，加强液力剪切作用与压力波作用； 使物料在流动过程中受到强烈液力及机械冲击、碰撞等的综合效应等等。 9 东南大学硕士学位论文 第三章均质机主要理论基础 高剪切均质机是利用高速旋转转子的梳状齿与定子上相应齿之间的剪切作用，将流体中的物料 粉碎并搅匀的设备。一般应用于对流体，半流体的均化、细化和乳化，它能将物料粉碎至2 u m 以下。 且生产效率极高。其工作原理是通过物料在高速旋转的转子和定子间的间隙内被剪切及由此间隙和 定转子上开口槽射流的综合效应来实现的。剪切式均质机装置的功能可设计成为产生最大的流动作 用和最小的剪切作用、产生最大的剪切作用和最小的流动作用，或者在两者之中产生平衡。由以上 的工作原理我们可以看出高剪切均质机的工作过程主要取决于流体的旋转流动和机体内部零件的受 力情况。所以本章主要从对工作时的流体运动情况和定转子的受力情况做基础理论分析。 3 1 高剪切均质机体内流体基础理论 高剪切均质机的工作流体一般为牛顿型流体。牛顿型流体的流动型可分为层流和湍流两种类型。 层流和湍流有着不同的流动现象和特性。对于层流流动的理论已经很完善，而湍流一般都是建立在 半理论半经验的基础上建立起来的，现对于均质机体内的流动现象做一定的流体基础介绍。从层流 和湍流两方面做系统的分析。 3 1 1 层流和湍流的判断 假设流体沿固体壁作直线运动，当流体低速运动时，流体质点始终沿平行的方向连续地运动。 质点之间互不混淆，流体运动处于层流运动状态。当流体速度增加到某一速度值时，高速流体中将 引起漩涡而进入湍流状态，在湍流状态下牛顿型流体与非牛顿型流体的流动特性，随流速增加而趋 向近似。 流动型态是由雷诺数决定，对于管子内牛顿型流体，雷诺数为： r ：业o - 1 ) 式中p 是流体密度，s 2 m 4 ；d 为管子直径，m ；为流体平均流速，m l s ；为流体粘度， s 2 ，肌2 。流体在直管中流动时流动状态开始变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，计为r 。若 r o r o 。，则流体就属于湍流流动，若r o p l o t c t r l s a n i m a t e m o d e s h a p e ，就可以用动态方式显示 转子结构在一段时间内的变化状态，有助于了解转子结构的各阶振型。转子的前五阶振型的振动形 态描述如下： 第一阶振型的振动形态：转子圆底面与坐标系x 轴重合的直径为节径发生振动。 第二阶振型的振动形态：转子圆底面与坐标系y 轴重合的直径为节径发生振动。 第三阶振型的振动形态：以转子本身的对称轴即坐标系z 轴为对称轴沿转子径向振动。 第四阶振型的振动形态：以一对互相垂直的直径为节径发生振动。 第五阶振型的振动形态：以一对互相垂直的赢径为节径发生振动。 均质机的实际工作转速为3 0 0 0 r m i n ，激振力频率p = 3 0 0 0 n 6 0 = 3 0 0 0 1 8 6 0 = 9 0 0 h z 。行 为每圈齿数。而转子的固有频率都远小于9 0 0 h z ，则说明没有出现共振现象 东南大学硕士学位论文 第五章新型高剪切均质机内部流场分析及流场模拟 第三章中关于定转子间隙区和定、转子槽道的液力剪切分析是为了得出影响均质效果基本因素 而做了一定简化，可以为新型高剪切均质机结构参数和工作参数的选定提供设计依据，第四章又对 关键元件转子进行了静态与模态有限元分析，但针对具体新型高剪切均质机必须作进一步的流场分 析。下面就针对这种新型高剪切均质机的自身结构特点，分别作转子间隙区、定子槽道、转子槽道 的流场分析及流场模拟，为该新型高剪切均质机的设计进一步提供设计依据。 5 1 新型高剪切均质机工作区的流场分析 5 1 1 定转子周向流的流场分析 为了分析方便起见，在图5 - 1 中放大定转子间隙2 矗以显示效果，因为在新型高剪切均质机中定 转子间隙相对于定、转子半径很小，所以定转子之间形成的工作区可以看成是直槽道，同时转子旋 转可看成移动边，定子固定不动可看成固定边，并且因为流体在周向运动过程中，摩擦力引起流体 所具有的机械能沿周向减少，压力梯度变体呈现周期性不断减少的趋势，所以假设流体在圆周x 方 ，n 向作用有压力梯度= 竺= c o n s t 0 ；假设流体运动速度和温度边界条件均与x 无关，且间隙内的流 d x 体运动速度分布和温度分布也与x 无关，只是y 的函数，甜= 甜( j ，) 。在作了上述假设以后，可以参 照库埃特( c o u e t t e ) 剪切流动进行理论分析。 玉“= 0 矿= ，口 图5 - 1 定转子间隙区周向流动 如图5 - 1 所示，转予的半径为，转动角速度为m ，定子不动，定子和转子之间的间隙为2 ， 间隙内流体存在速度差，从而会产生剪切力。此时库埃特( c o u e t t e ) 流动矢量形式的微分方程组如 ( 5 1 ) 、( 5 2 ) 所示【2 0 】【2 1 】： 连续性方程： v v = 0 ( 5 1 ) 加 第五章新型高剪切均质机内部流场分析及流场模拟 动量方程： 简化式( 5 2 ) 为： p ( 警再v 乃一即+ 2 矿 一面d p t p 矿d 2 u = 。 ( 5 - z ) ( 5 - 3 ) 相应的边界条件为： y = h 时，”= 0 y = - h 时，“2 矿= ，国( 5 - 4 ) 代入边界条件( 5 _ 4 ) 到式( 5 3 ) 可得流场速度分布方程： 一去和可，+ 争 ， 式中：u 物料的粘性系数； ! 挈物料在x 方向的压力梯度( 常数) 。 可以将周向流速群写成甜= 毪+ ，其中= 一击妾( 矗2 一y 2 ) ；屹= 善( 1 一。而且还可 以将u l 、“，绘成如图5 - 2 、5 - 3 所示的流场分布图以及图5 4 所示合流速“的流场分布简图。 图5 - 2 周向流速度流场分布 4 1 h 。“= 0 矿= ，口 东南大学硕士学位论文 2 h 图5 - 3 周向流“2 速度分布 h 。“= 0 h 1 = 0 图5 - 4 周同合成沉“速厦分布 根据粘性切应力与应变率的关系： 一当+ 代入式( 5 5 ) 到式( 5 - 6 ) 中，则粘性切应力为； l ：盟：塑：生y 一旦：y 生一竺 叫芳2 万2 素p 万叫素一百 ( 5 7 ) 由于譬 0 ，则当j ，：| i i 时，可得： l 勺i 。= 剐+ 吲 即在定子壁面处剪切应力最大。同时从式( 5 8 ) 中。 受剪切应力越大 ( 5 8 ) 可得出转子转速越高，定转子阈隙越小，物斟所 第五章新型商剪切均质机内部流场分析及流场模拟 上述结论是在r ：三! 竺( 6 ：2 厅) 较小，定转子之间的高剪切区相对于定、转子半径很薄，可 u 视定、转子之间的高剪切区处于完全层流边界层时推导出来的；当咒较大时，边界层内流动由层流 过渡到湍流状态，由于这时的流场分析涉及到数值计算，非常复杂，有待进一步研究。 5 1 2 定子径向流的流场分析 新型高剪切均质机在工作过程中，除了物料受到定转子间的周向剪切外，流体在离心力作用下 穿过定子上的沿径向开设的槽道。因定转子间隙相对定、转子的半径非常小，可以假设定子槽道内 的流体沿径向流动。流体在经过定子径向槽道时也受到槽道剪切作用。径向流的流动如图5 5 所示。 下面采用相似解的方法对定子槽道内流体的径向流动进行流场分析。 图5 5 定子径向槽道斋f c 动 本新型高剪切均质机定子槽道沿径向开设，槽遭成口轴对称。槽道中流体的流动是径向的， u o = 0 ，在极坐标系内，连续性方程可写为1 1 q 【2 1 】： 1 蚱= 二认 7(5-9) 这时烈p ) 是一个恒取正值的待定函数。由于流动是对称的情况r 故可预料，在口= 0 处，蚱的 绝对值最大，令： u r l 2 ( 5 1 0 ) 引入无日量纲变量玎：旦，则设定： 埠 1 4 , - = ，0 ) ( 5 1 1 ) 定义匙= 竺翌竺，y 为流体运动粘度。 东南大学硕士学位论文 u o = 0