（化工过程机械专业论文）sk型静态混合器流动特性研究.pdf

中文摘要静态混合器作为一种新型高效的混合装置，可以有效地进行化工过程强化，在过程工业中应用越来越广泛，甚至在很多场合有取代传统的搅拌反应器的趋势。本文对其中工业应用较多的s k 型静态混合器的单液相流速场进行研究，详实地描述了其高雷诺数下流动特性；提出混合器内压力降的数学模型并作出计算。研究结果为混合器内传质、传热的研究及高效混合器的设计提供有益参考和依据。应用三维激光多普勒测速仪( l d a ) 对s k 型静态混合器内流场进行测试，描述了在流体在混合器轴截面内形成与混合元件扭转方向相同和相反的两种流动的现象，揭示了螺旋坐标系下流体的三维时均速度的大小及分布规律，讨论了流量变化对时均速度及脉动特性参数的影响，表明混合元件的加入使流体的时均特性和脉动特性在径向方向得到增强，流场呈各向异性。同时对该混合器出口的流动特性进行测量，揭示其衰减规律。针对实验测量中出现的误差放大现象，提出采用改变激光探头方位的两次测量法，来提高实验数据的准确性。分别采用四种湍流模型模拟计算了s k 型静态混合器内的流场，通过模拟计算结果与实验结果相对比，确立了雷诺应力模型计算结果的可靠性；应用该模型对不同流量下，不同长径比的混合器内流场进行模拟计算，讨论了混合元件数和长径比对流场的影响，并由流速场导出计算了应变速率，建立了流速场与混合效果的联系。提出高雷诺数下s k 型静态混合器内压力降的力学计算模型，分别探讨了流体与壁面摩擦产生的沿程阻力损失，混合元件反旋和交叉引起的局部阻力损失，并在理论上求解了沿程阻力损失。关键词：静态混合器，湍流流场，l d a ，数值模拟，计算流体力学，雷诺应力模型，压力降国家“十五”科技攻关项目( 2 0 0 4 b a 3 1 9 8 1 ) 和辽宁省科学技术计划项目( 2 0 0 6 2 2 3 0 0 1 ) 资助。a b s t r a c t s t a t i cm i x e r ，a sn e wa n de 衔c i e n te q u i p m e n t ，i su s e dm o r e 锄dm o r eb r o a d i yi np r o c e s si n d u s n yb yi t sa b i l i 妙o fs n - e n 舒h e n i n gc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ，a n de v e nm a y b es u b s t i t u t e sf o rt r a d i t i o n a ls t i r r e dr e a c t o ri nm a n yo c c a t i o n s i nt 1 1 i sp a p e r ，t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c su n d e rh i 曲r e y n o l d sn 啪b e ri ns ks t a t i cm i x e rw h i c hh a se x t e n s i v e 印p l i e di ni n d u s 仃yw e r ed e s c r i b e dd e t a i l e d l ya n dv e r i t a b l y ，a n dt l l em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r e s s u r ed r o pw a sp u tf o r w a r da n dr e s o l v e d t h er e s u l t sg i v eaf a v o r a b l er e f e r e n c et 0t h ef h r t h e rs t u d yo nh e a ta n dm a s st 啪s f e ra n dt h ed e s i g no fm i x e r -t h ev e l o c i 锣f i e l do fs ks t a t i cm i x e rw a sm e a s u r e db yt h r e e - d i m e n s i o n a ll d a t h en o wp h e n o m e n ao fr o t a t i n ga tt w od i f 梵r e n td i r e c t i o n si nt h es 锄ec r o s ss e c t i o nw e r ed e s c 曲e d 1 h l e so ft i l em a g n i t u d e 锄dd i s t r i b u t i o no f 咖e e - d i m e n s i o n a lt i m e a v e r a g e dv e l o c i t i e sa th e l i xo r d i n a t e sw e r cr e v e a l e d t h ee 仃e c t so fn o wr a t eo nt i m e a v e r a g e dv e l o c i t i e sa n dp u l s a t i l ec h a m c t e r i s t i c sw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a td u et 0m i x i n ge l e m e n t s ，t h ef l u i dr a d i a lt i m e d a v e r a g e da n dp u l s a t i l ec h a r a c t e r i s t i c sw e r ee n h a n c e da n dt h en o wf i e l dw a sa n i s o t r o p i c t h ef l u i dv e l o c i 够d o w n s t r e a mw a sa l s om e a s u r e di no r d e rt or e v e a li t sl a wo fd e c l i n e t bt h e锄p l i 行c a t o 拶p h e n o m e n ao fe x p e r i m e n t a le n d r ，an e wm e a s u r e m e n tm e t h o dt h a tt h el a s e rd e t e c t o rw a s “a n g e di t so r i e n t a t i o na tt h es e c o n dt i m ew a sb r o u g h tf o n v a r dt oa d v a n c ev e r a c i 够o fe x p e r i m e n t a ld a t a f o u rt ) ，p e so ft u r b u l e n tf l o wm o d e l sw e r ec h o s e nt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di nt h es t a t i cm i x e r ，锄o n gt h e mr e y n o l d ss t r e s sm o d e lw a sv a li d a t e dc r e d i b l eb yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a lo n e s b yu s i n gt h i sm o d e l ，t h ef l o wf i e l d so fm i x e rw 汕d i 行e r e n ta s p e c tm t i o su n d e rd i 行e r e n tf l o w 眦sw e r es i m u l a t e d m o r e o v e r ，t h ee h e c t so fa s p e c tr a t i oa n dt h en u m b e r so fm i x i n ge l e m e n t so nf l o wf i e l dw e r ed i s c u s s e d 锄dt h es 仃a i nr a t e sw e r ec a l c u l a t e d ，b yw h i c ht h er e l a t i o nb e t 、v e e nm i x i n ge 衔c i e n c ya n df l o wf i e l dw a se s t a b l i s h e d 1 1 h i s p r o j e c t i ss u p 呻t e d b ya g 渤t 饷m 岫n a t i o n a lk e yt e c 量i i l o i o g i e s r & d p m g 姗o f c h i l l a d u r i n g t h el o t hf i v e - y e a rp l a l lp e r i o d 州o 2 0 0 4 b a 3 1 9 b ) ，h e 幽gi t c l l lo f s c i c n t i f i ct c c h n o l o g yr e 辩a r c ho f l i a o n 吨p r o v i n c eo f c h i l l a ( n o 2 0 0 6 2 2 3 0 0 1 ) uan e wn 啪面c “m o d e lo ff l u i dr e s i s t a r n c ei sp u tf 0 刑a r d f r i “0 nl o s sa l o n gm i x e ri n d u c e db yf h c t i o no ff l u i dw i t hw a ua n dl o c a lf r i c t i o nl o s si n d u c e db yr e v e r s er o t a t i o na n di n t e r s e c to ft h ee i e m e n t sa tt h ej u n c t i o n sw e r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ，a n dt h ef o m l e rw a sr e s o l v e dt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：s t a t i cm i x e r ，t u r b u l e n tn o wf i e l d ，l d a ，n u m e r i c a is i m u l a t i o n ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ，p r e s s u r ed r o pi i i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，也不包含为获得叁注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：季绞壳习哆签字日期：泐尸年乡月乡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。特授权墨盗盘堂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：签字日期：溯罗年占月弓日翩躲僻啦签字日期沙7 年6 月了日天津大学博士学位论文第一章绪论1 1 研究意义第一章绪论混合是过程工业的一种十分普遍而且重要的操作，从简单的溶解到复杂的多相系统反应都需要这种操作，反应的速率、产量以及选择性都高度依赖于混合性能。不当的混合会产生质量低劣的产品，随之需要更多的下游工艺去进行处理，造成不必要的浪费。曾有文献i lj 报道，据估计，在化工行业相对发达的美国每年由于混合问题造成的经济损失高达几十亿美元。因此，设计高效的混合设备，实现有效的混合，对于提高产品的质量、减少副产物的收率、优化整个生产过程具有重要的意义【z j 。尽管混合操作被广泛应用于过程工业，但是对其机理的理解却并不充分。过去，对混合的研究主要集中在操作参数，如压力降或者耗功等与最终的混合质量的关系上。解决混合问题的方法一直被认为就是增加输入的能量，但是这带来了大的消耗的同时对混合质量的改变却微乎甚微。这就要求对混合行为、引发它的流动机理以及这两者之间的关系进行深入地研究，来更深刻地理解这个很普遍的过程操作。随着更好地理解混合的机理和流场特性，能量消耗将会不断减少，同时混合效率不断提高。静态混合器作为一种新型高效的混合装置，可以有效地进行化工过程强化，在过程工业中应用越来越广泛，甚至在很多场合有取代传统的搅拌反应器的趋势【3 】。对于它的设计和使用，长期以来常常是依赖于经验的，没有比较成熟的理论作指导。为了更合理的设计和使用这种混合器，就需要系统地对它内部的流体流动混合行为进行研究、寻求其规律形成理论，进而指导静态混合器的设计和应用。流速场恰恰是研究流动和混合行为的基础和起点，国内外就此问题已有了相关的研究，但还不够充分和完善，尤其是对静态混合器的湍流流场研究更是如此。本文就以此为着眼点，采用实验和数值模拟两种手段试图揭示静态混合器内的湍流流速场的规律，为进一步研究混合行为指导混合器的设计打基础。静态混合器是目前国内外正在大力推广应用的一种结构简单而紧凑的节能设备，随着静态混合新技术的不断发展，静态混合器将越来越显示出它的经济天津大学博士学位论文第一章绪论价值和社会价值。1 2 静态混合器简介混合过程按完成它的装置特性分两种方式：动态混合和静态混合。通常，动态混合是利用在盛装混合物料的容器内安装靠外力驱动的某种机械装置，对流体进行搅拌来实现的；静态混合没有机械转动装置，是依靠流体自身的动力，流过设置在管路中的静止插件实现的。静态混合器( s t a t i cm i x e ro rm o t i o n l e s sm i x e r ) 就是完成静态混合的装置。静态混合器是最近3 0 年发展起来的混合设备。如利用扭曲叶片或交错平板的组合等，流体经过这些结构单元后达到混合目的设备。流体在流经静态混合器时，受混合元件的约束，产生分流、合流、旋转等行为，使流体达到有效的混合。对于层流和湍流等不同流动状态，静态混合器的混合机理是不尽相同的。一般认为，层流时，静态混合器是对流体反复进行“分割移动重新汇合”的有规则的作用，以达到混合目的；湍流时，除了上面的作用外，由于流体在流动的断面上产生剧烈的涡流，使流体的细微部分进一步被分割而达到混合。静态混合器的主要优点是流体可以在很宽的雷诺数范围内进行混合，且不需要设计运动部件就可以达到混合的目的。目前，世界上大约有1 0 0 多种静态混合器的专利，其中大约有一半类型的静态混合器已实现了商业化。由于静态混合器的突出优点，世界许多研究机构仍然在开发新型结构的静态混合器。按照元件的几何外形特点可以分成两类：螺旋式、板栅条式。国外静态混合器常用类型主要有五种：美国凯尼斯公司研制的k e n i c s 型，瑞士苏尔士公司研制的s m v 型、s m x 型、s m x l 型，日本车利株式会社研制的h i 型1 4 j 。在国内，上海化工研究院率先开始研制和开发静态混合器，根据对国外以上五种形式的研究开发了五个具有代表性的静态混合器类型( 如图1 1 所示) ，即s k 型、s v 型、s x 型、s l 型和s h 型。其中，s k 、s h 型属于螺旋式，其余的属于板栅条式。本文的研究对象s k 型静态混合器，是出现较早、应用也较为广泛的一种静态混合器。它的内插件是短螺旋片，是把金属板条的一端相对另一端逆时针或者顺时针扭转1 8 0 。后形成的。置入圆管内这些短螺旋片在管内首尾交错9 0 。连接，相邻螺旋片的旋向相反，如图1 2 所示。元件长度与管径之比( 即长径比彳，= ，d ) 和元件数量发生变化就形成了这种混合器的多种规格。2墨壁盔芏堡主芏堡堡塞茎二童蕉垫腮霆黪懋凰s ls h图l - l 五种类型的静态混音器单元结构示意图f 塘l ls k e 【c ho fe l e m e ms 帅d u mo f n v e 母p es 叫1 c m i x “图l 之s k 型静态混台罂元件示意图f 1 9 1 - 2s k e 心o fe 】锄e n t o f s k 弛6 c m k o3 静态混合器的应用静态混合器具有无须机械搅拌、可连续生产、无污染、占地面积小、分散混合效果好等优点。被广泛的用于混合、反应、分散、传质和传热，既可在层流又可在湍流下进行操作。中国科学院开发了s k 型静态混合器在合成纤维和塑料加工方面的应用；清华大学开发了s k 型静态混合器在石油方面的应用；还有太连石化公司、中国石化总公司兰州石化设计院和南通混合器厂等单位都进行了静态混合器的研究、开发和应用工作。沈阳化工学院从9 0 年代初期开始研究静态混合器在石油化工生产中的工程应用，至今已经有十几年的历史，静态混台技术已经被成功运用于硝化及氯醇化反应p 一，而且取得了良好的经济效益。郑州工业大学开发的s m g k 型换热器【1 是由g k 型静态混合元件、换热管束、折流杆构成的折流圈、壳体和带导流板的夹套组成，作为合成氨厂变换热天津大学博士学位论文第一章绪论交换器使用。实践证明g k 型静态混合元件强化了管内传热，提高了管内传热膜系数。图1 3g k 型静态混合器元件结构示意图f i g l - 3 s k e t c ho fe l e m e n ts 仃u c t u r eo f g ks t a t i cm i x e r在油田三次采油中，需将聚合物母液和水经由静态混合器混合后注入井下，强化其混合悼j 。在生产甲胺磷铵装置中采用静态混合器强化传热，进而提高其在原油中的含量【9 1 。上海怡中纺织实业公司的纺织废水与无机絮凝剂( 碱式氯化铝) 的混合过程采用s v l 型静态混合器；九江化工厂盐水中和过程采用s v l 2 0 0 型静态混合器，都取得了良好的效果。兰州炼油化工总厂引进的硫化烷基酚钙装置，排出的尾气中硫化氢含量高，使用氢氧化钠水溶液作为吸收剂，在采用静态混合器一填料塔串联流程后吸收率超过了设计值，达到了9 9 【l0 1 。在航空航天地面试验系统中静态混合器的应用实例也比较多，例如，在超音速和高超音速风洞的试验中应用的由多种气体或不同温度的气体混合产生高焓混合气源的装置、高速飞行雨蚀【l l ，1 2 】模拟和穿越云雾模拟中应用的两相气流生成装置、液体火箭发动机地面试验中低温推进剂掺混调控温度的装置、燃气发生器产生的温度调控装置等【”】，在试验研究过程中，静态混合器表现出明显的优势。在四川某炼油厂的脱离清装置中采用s k 型静态混合器对原料进行了预稀释后，操作稳定，萃取效果好，对负荷变化的适应性强，对降低溶剂比、节能降耗有特别明显的效果【l4 1 。在遵义锰精矿絮凝脱水工业试验中，采用改进的s k 型静态混合器多段多点加入絮凝剂，使其与料浆达到很好的分散混合【l5 1 。在发酵罐中利用静态混合器的良好混合作用，有利于气体停留时间和溶氧作用，使发酵罐高度适当降低，降低能耗1 1 6 】。采用静态混合器可以实现高粘度生物多糖的连续脱色过程，比传统的机械搅拌式间歇生产混合效果好，能耗低l l7 1 。4天津大学博士学位论文第一章绪论吉林吉化公司研究院成功开发了连续法合成邻( 对) 硝基苯甲醚的工艺技术【1 8 】，用静态混合器代替传统的搅拌釜作为反应器，缩短了反应时间，降低了负产物硝基苯酚的含量，提高了硝基苯甲醚的选择性，使装置生产能力达到提高，生产成本下降，同时减少了操作强度，改善了操作环境。浙江巨化股份有限公司电化厂采用在氯冷凝器中安装静态混合器的方法【l9 j来提高液氯液化量的工艺改进方案，传热效率可提高2 9 4 1 。在表面活性剂十二烷基硫酸铵生产中应用静态混合器1 20 1 ，采用大回流比( 约1 5 ：1 ) ，通过静态混合器起到高剪切分散作用，使各组分达到微观混合，中和反应能在瞬间完成。用带夹套的静态混合器作为乙氧基化反应的放大反应器物料在反应器中的停留时间分布试验表明【2 1 1 ，物料在反应器内的流动为理想活塞流；传热特性的研究结果证明其效率至少比空管高4 倍。由于静态混合器的引入，使传统乙氧基化的间歇和半连续的操作变成连续化生产，使国内乙氧基化反应技术上了一个新台阶，同时也扩展了静态混合器的应用领域，使乙氧基化反应技术的设备及工艺得到了双重发展。采用带有夹套的静态混合器作为硝基氯苯甲基化反应器，解决了两相物流的混合，提供了较好的传质和传热。由静态混合器没有死角，反应生成的副产物邻硝基苯酚钠不会挂壁、出现局部过热，因此提高了反应的安全性【2 2 1 。文献【2 3 】报道了静态混合器及其在制糖工业的研究进展，通过强化絮凝反应过程，从而缩短沉降时间，减少蔗汁在沉降器内的停留时间，进而减少由于高温和适温细菌的作用所造成的糖分损失，增加沉降器的生产能力，从而可以用价廉而较小的沉降器。1 4 静态混合器流场研究进展流体的流动速度是流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得。大多数描述流场的导出量都直接或间接和速度参量建立联系，如环量、涡量、流函数等等。对静态混合器内流场的研究也是如此，多年来国内外诸多研究者以流速场为出发点展开了对静态混合器的流动特性研究。由于静态混合器内混合元件的存在，其内流速场非常复杂，对其研究主要采用应用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ，c f d ) 进行数值模拟和应用流动测量技术进行实验两种方法。天津大学博士学位论文第一章绪论1 4 1 静态混合器流动特性的c f d 研究进展虽然许多研究者不断提出新型的静态混合器结构设计，但是由于其复杂的内部结构，对静态混合器内部的流场分布情况、流体之间的传质过程等混合机理方面的研究却相对较少。国外的研究早于国内，以研究低雷诺数下的流动和混合特性为主。早期的关于k e n i c s 静态混合器的模拟是把n s 方程转化到螺旋坐标系统中来求解方程。t u n g 【2 4 j 求解了动量方程获得了流速场。预测了轴向速度和压力降。他根据最初径向压力梯度很小的判断假设径向速度可以被忽略，导致了不正确的模拟。他的结论一混合器的混合是由进口效应引起的是不正确的，因为径向速度分量对k e n i c s 静态混合器的混合很关键。d a c k s o n 掣2 5 ，2 6 】也在螺旋坐标系下求解了运动方程。他们定义了混合效率是最初的界面的变形与通过元件的压力降之比。他们将混合元件的长径比从o 1 变化到6 4 ；每个叶片的扭角从o 。变化到2 7 0 。发现当长径比为o 5 、扭角大约为9 0 。时混合效率有最大值。这种形状的混合效率是标准的k e n i c s 静态混合器的两倍。他们还研究了元件厚度的影响，发现其影响是可以忽略的。他们使用了粒子示踪模拟了两相混合，确定了有三个混合件的长径比为o 8 的混合器的两相混合的条纹结构。该模拟对0 7 5 而不易适用。a r i m o n d 和e n v i n 【27 ，2 8 】求解了控制方程，使用示踪迹粒子与欲求解流场流体一起流动，来获得模拟粒子通过混合器的轨迹，通过每个元件的扭角的优化来获得较好的混合，但由于条件的限制，他们只计算了二维的简单情况。b a l ( 1 ( e z 【2 9 】在1 9 9 3 年将静态混合器的流场计算发展为三维。随着计算机硬件的发展和c f d 的不断进步，越来越多的学者开始对静态混合器的流场进行数值模拟研究。h o b b s 和m u 历。等人【n 3 4 】在这方面作了大量的工作。他们利用c f d 软件对k e n i c s 型静态混合器低雷诺数情况下流场进行求解，并对影响流动和混合的混合器的结构参数进行优化。他们模拟了一个内置六个混合元件的k e n i c s 型静态混合器( 如图l - 4 所示) ，把这个混合器的结构分成三段，进口段、中间段和出口段，进口由一段空管和前两个元件组成，出口段由后两个元件和它们后面的空管组成，中间段由第三和第四个元件组成。发现流场与混合器的结构相类似呈周期性变化，相邻的两个混合元件构成一个周期，从第三个元件开始流场的形态开始重复。由此，他们认为其它任意长度的混合器都可以看成是有这样的三段组成，只不过是把中间段的两个元件任意重复而己。他们针对混合器复6天津大学博士学位论文第一章绪论杂的几何结构，数值计算中考虑了各种因素，计算出r e = 0 】5 1 0 0 0 的范围内，流场及混合的特征。认为：r e l o 时，速度的大小与r e 数成比例；每个元件的中间截面是这个元件几何结构上反对称镜面，在一个混合元件内，各个界面内的速度场的关于该截面反对称，在长度为8 7 8 的范围内，速度侧形基本上关于混合器的螺旋坐标系是恒定的，进口和出口效应的影响占混合元件长度的2 5 ；r e 1 0 时，速度场的关于中间对称的现象没有了。r c 越大越不易获得充分发展的速度侧形，r e = 10 0 时，进口和出口效应的影响占混合元件长度的7 5 ；r e = l 0 0 0 时，在一个混合元件内没有获得充分发展的速度侧形。r e 1 0 时，流动是混沌的，混合特性与雷诺数无关；r c = 1 0 0 时，截面内出现孤立区，不易达到均匀的混合；r e = 1 0 0 0 时，流动又重新出现混沌，但是还有些孤立区存在混合效果介于r e l o 和r e = 1 0 0 之问。同时给出了低雷诺数下k e n i c s 静态混合器的压力降计算式。他们还在混合器的流束中加入小股的示踪剂讨论了加入位置，主流流速及混合器几何尺寸对k e n - c s 混合器性能的影响，发现在足够多的混合元件后示踪剂的添加位置对混合质量影响很小，但是，对前几个元件的混合有作用；元件的扭角为1 2 0 。时混合与标准的1 8 0 。的扭角的混合相似。不过，却比标准的能量效率高。圈i 文献 3 0 中的k 洲混台器f i 刚4a k 即i c s 删i c m i x e r h m f b m c e 【3 0 】x = o l图1 5 文献 3 0 中的混台元件横截面砘”c m s s 螂t i o n 蚰lp l a n c se 砌k “c se l 锄嘶m ”蜘n 口o 】丕堡查芏昼主堂望堡塞茎二童堕堡i 勰葱k：澜矽阐。2 i 夔l( 曲z = o ：( b ) r = ，8 l ( c ) x = ，4 ；( d ) r = ，2图l 击文献 3 0 中的横截面速度侧形鋈羹壤墼篷辫1 藤秽獯黟德爹善i：( c ) r e = l o ：( 曲r e = 1 0 0 ；( e ) r e = 1 0 0 07 文献 3 4 中的混合效果7 m l x “ge d n m 【3 4 】b y r d e 和s a w l 。y 3 6 应用对流欧拉法求解宙诺平均方程，模拟了长径比为15 ，有六个混合元件的s k 型静态混合器，在雷诺数为1 0 0 时，扭角从0 。3 6 0 ，取1 3 个不同的值，对于非爬行流条件，采用了一系列的数值模拟来决定最佳的菱爹蓥萋瑟塑囊冀1l趾匿吨b枷ra天津大学博士学位论文第一章绪论混合元件的扭角。与以前的爬流结果相反，对于所呈现的非爬流，对于标准的k e n i c s 静态混合器扭角为1 8 0 。时为最优。流场特性以第四个混合元件的出口为研究对象，认为流体的旋转方向与混合元件的局部螺旋方向相反，这与以前一些研究的结论相反。在每个元件的进料口发现有二次涡，对于小扭角的情况不明显，随着扭角的增长，二次涡加强，直到占领整个截面。他们跟踪了7 1 0 4 个粒子，发现流动大体上是混沌的。然而，在低雷诺数时，在管中心加入的粒子很难被重新分布。物料的孤岛将沿着混合器中心向下游流动，却几乎不混合，这与h o b b s 和m u z z i o 的结果不同。l i n g 和z a n g 【3 7 ，3 8 ，3 9 1 模拟研究了一个插入同一旋向无限长螺旋扭曲元件的管子。然后，截取关于一个元件的结果组合成左右相间的一系列元件。他们认为最终的流动侧形就是流过这些元件的充分发展的流动的组合。他们假设元件连接处对整个流场影响很小，这是不正确的。他们还发现如果把长径比减小到0 6 并保持每个元件扭转18 0 。不变，达到的混合效果与标准的k e n i c s 混合器是相同的，而且可减少4 3 的压力降。v i m a l 和v a i b h a v 掣4 0 】应用c f d 软件f l u e n t v 6 0 对k e n i c s 静态混合器进行数值模拟，研究它在很宽的雷诺数下的流动模式和混合行为。研究对象的长径比为1 5 ，分别由3 、9 和2 5 个元件组成。雷诺数的范围从l 到2 5 0 0 0 ，也就是说从层流到湍流。数值的方法考虑了高雷诺数下流体流动，给出不同截面的圆周速度侧形，用以描述流速及混合单元数对湍流流动的影响。圆周速度侧形反映出在混合元件的中心处形成强制涡旋，在接近壁面处形成自由涡旋。在元件与元件交接的地方，流动受到影响的区域占整个元件长度3 0 ，其余的范围内流动是充分发展的。以上这些研究主要是针对k e n i c s 型静态混合器，此外还有一些学者对其它类型的静态混合器的流场和混合的数值模拟，有些把它们的混合效果与k e n i c s型进行了比较。f r a d e t t e 等人【4 l j 利用三维有限元分析的方法对s m x 型静态混合器内流速场及压力降进行了数值模拟，计算包括牛顿流体和非牛顿流体。v i s s e r 等人1 4 2 j对s m x 型静态混合器三维流动和传热、牛顿流体和非牛顿流体进行了数值模拟，计算得出的停留时间、压降、和传热与实验吻合较好，摩擦因子在层流区中基本为常数。f o u r c a d e 等人【4 3 j 利用数值模拟的方法对s m x 型和k e n i c s 型静态混合器在层流流动时的混合情况进行计算和对比，讨论了两种混合器的微混效果，认为对于相同的能量输入，s m x 型比k e n i c s 型的混合效果更好。e l i z a b 砒和m i c k a i l y h u b e r 等人【删对苏尔士s m r x 型静态混合器进行了数值模拟发现混垂竖查堂堕主堂丝堡塞蔓= 茎堡堡合效果是一个关于管道内交叉角的函数，认为交叉角为9 0 度时混合效果较优，压力损失与速度成正比而且随着交叉角的增长而增长。l a n g 和d n i n a 等”“对s m v 型静态混合器中流体流动和混合过程进行数值模拟，认为有混合器结构形成的漩涡是形成流体混台的主要驱动力，作为一个工业应用的实例，计算了反硝化装置中进口的流动和混台，发现由于混合器的加入混合质量得到显著的提高，同时实验测得的速度和浓度也与数值的结果相吻合。m a n 和0 f e l l等i “】应用c f d 软件f l u e m 61 描述两种商业用的静态混合器一k m 和l i 曲m l n型( 结构如图1 8 所示) 的二次流和混合行为，主要考察了螺旋性的大小、z 因子、条纹减薄率及条纹厚度的分布。认为由于混合元件的曲率，在混合元件的交叉口出现二次流容易产生二次流的地方有流体改变方向的位置，由于离心力有差别的自由流，即d e a n 流的位置，以及流体沿着元件流动必经边缘的地方；由于l i 2 h t n j n 型的中间有边界，所以潢涡强度高于k m 型。对于长径比为15 的混舍器发现涡旋形成时的r e 数为1 0 。尽管睦着流量增长条纹的厚度减少，但是还有一些条纹不受影响而通过混合元件这样的条纹大约占3 的体积流量( 当r e = 8 0 时) ，形成了分离区，这些分离区是混合的障碍。图1 - 8 文献 4 6 中l i g t n 油型静态混台器元件结构示意图f 镕1 8s k 出b 。f e l ts n l l c 汕 o f l j g m 访s 呲j c m l i n m 妇蜘c e h 6 1国内研究要远远落后于国外。己发表的许多文献都是对静态混合器进行介绍即锕l ，应用型论文较多，研究型论文较少。近几年，国内也有一些研究中开始使用c f d 来揭示静态混合器的流动和混合行为。张鸿雁等f “l 采用大锅模拟方法对内置翼片管式静态混台器内部的速度场和浓度场进行了研究，比较了带有3 种不同结构翼片的静态混合器的混合效果；陈晓窨m 性以往静态混合器层流研究基础上，对揣流混合理论进行了研究，并对k e n i c sk e v 型静态混合器进行了大涡模拟研究。通过研究发现，对应用于天津大学博士学位论文第一章绪论双组分单一液相流的静态混合器来说，其混合效果主要受两个因素决定：流体湍流强度、流体在混合器中的停留时间。并由流体力学理论得到，增强流体湍流强度通常是增大流体的剪切强度；或者是改变沿流向速度。首次提出了有效混合和无效混合的概念，提出了一种新的用于静态混合器研究的计算实验的方法，并将此方法用于对k e n i c sk e v 型静态混合器进行研究。赵建华等1 5 3 ，5 4 ，”j利用c f d 软件f l u e n t 对s m v 型静态混合器的流场进行求解，研究涉及到气、液两相流。王丽等【5 6 】利用c f d 软件f l u e n t 计算了流体流过旋转式k e n i c s 混合器过程中的应变速率。叶旭东等【5 7 】应用c f d 软件f l u e n t 描述了非牛顿流体在s k 型静态混合器中的混合流动，通过对比出口的温度分布和压力降，得出在混合器单元扭角为1 8 0 。时的混合效果比较好。张晓露掣 j 采用f l u e n t 分别计算了k e n i c s 型静态混合器和g k 型静态混合器内的流场，表明g k 型静态混合器的湍流强度低于s k 型，压力降是s k 型的5 5 4 5 7 9 ，但两者的传热膜系数相近，得出g k型具有较高的综合性能的结论。1 4 2 流场测试技术及静态混合器流场实验研究现状现代流体测量技术，包括热线热膜风速计( h w a ) 技术和激光测量技术，后者又包括激光多普勒测速技术( l d v 或l d a ) 、相位激光多普勒技术( p d a ) 、激光粒子图像测速技术( p i v ) ，以及激光诱导荧光技术( l i f ) 等。这些技术可以对各种各样的流体( 包括各种气体、液体以及它们各种形式的混合物) 的特性参数，如流动速度、温度、浓度、压力等进行在线的测量，给出比较精确的数据。1 4 2 1 几种流动测量技术的基本原理及应用分析( 1 ) 热线风速计热线风速计( h o tw i r ea n e m o m e 廿y 即h w a ) 是一种对定点流速进行测量的技术【5 9 】。热线实际上是对热比较敏感的元件，通常为通电的铂丝或钨丝。测试时，将热线布置于被测点，当流体流过时，从热线带走热量，这部分热量由控制回路中的流向热线的电流进行补偿，使热线处于恒温状态。那么，测试点的电流越大，则热线的散热速率就越大，补偿电流的增量就越大。这样，电流就与流体的流速之间行成了确定的某种函数关系，通过测定电流也就得到的流速。热线风速仪可以用于测量透明或不透明流体，是一种接触式点测量技术，热线探头不可避免地要对测试流场产生一定的干扰。热线风速仪被广泛的应用天津大学博士学位论文第一章绪论与气体的测量唧，6 1 j ，尤其是那些无法做成透明的测量体的流场测量而言，是一种可优先选择的方法。相对于其它的现代测量手段来说，这种方法实验装置搭建还是简便易行的，而且仪器的价格也比较经济。( 2 ) 激光多普勒测速仪激光多普勒速度仪( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e 仃y 或l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t 叮)是在热线风速仪后出现的一种对流动无干扰的测定确定点速度精确仪器。它利用流场中粒子的散射，测量散射光相对于原入射激光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度。l d a 测量是在某一测试点处一段时间内进行的，因此所测速度是时均定量值，通过对测试对象中每一点的测量可以得到整个流场的信息，例如可以得到被测对象的时均速度场、湍流强度场、雷诺应力场、剪切速率场等等。由于这些测量不能同时进行，因此它不适合用于研究非稳态流动，而且获得整个流场的信息实验耗时比较长。激光多普勒测量技术以它精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点，近年来得到了长足的发展。目前，市场上有成套产品，价格比较昂贵，三维l d a 价格在2 0 万美元左右。它对于透明的流体很宽的流速范围从速度几乎为零到超音速内都适合，对于不透明流体，可采用与其粘度与流变特性相近的替代流体进行研究。十几年来，国内也开展了应用l d a 测量流场的工作，应用的领域包括搅拌流场【6 2 6 3 1 、旋流器内流场【删、内燃机等，得到定性或定量流场信息。( 3 ) 相位激光多普勒相位激光多普勒( p h a s ed o p p i e ra n e m o m e t 巧o rp h a s ed o p p i e rp a r t i c l ea n a l v z e r 即p d a 或p dp ：a ) ，是在基础上发展起来的一种新型流场测速技术。p d a 实际上是对l d a 功能上的一个扩展，即增加了测量流动粒子直径的功能，这对混合研究十分有用的。它对球形粒子，包括小液滴、气泡、固体小颗粒直径在一定的浓度范围内是可以测出的。国内应用p d a 一些报道，涉及了燃烧中的气固两相流i 矧、喷嘴中的气液两相流1 67 】等。( 4 ) 激光粒子图像测速激光粒子图像测速技术( p a n i c l ei m a g ev e l o c i m e 蚵即p i v ) 是一种瞬态流动平面二维速度场测量技术，它的基本原理是在流场中撒布合适的“示踪粒子”，脉冲激光片光照射所测流场切面区域，通过c c d 成像记录系统摄取两次或多次曝光的数字粒子图像，形成p i v 底片；再用光学杨氏条纹法和数字粒子图像相关等方法逐点处理p i v 底片，可以得到数字粒子图像的平均位移，再由已知的两次曝光的时间间隔，既可由此确定流场切面上多点的二维速度。利用多个c c d 相机成天津大学博士学位论文第一章绪论角度的对流场进行拍摄，就可得到三维流速场。p i v 测速的精度很大程度上取决于c c d 照相机的性能和图像处理技术。随着激光技术、c c d 相机性能的提高和图像处理技术的成熟，p i v 技术获得了人们的普遍认可，近年发展出现的d p i v ( d i g i n a lp 叭i c l ei m a g ev e l o c i m e n y ) 更因其可以在短时间内获得整个流场的信息而备受青睐。p i v 成套产品的价格与基本相当。在能进行相分离的多相流运动中，都可以采用p l v 技术来分析其运动规律。作为研究各种复杂流场的一种基本手段，现在已经广泛应用于各种流动中，从定常流动到非定常流动、从低速流动到高速流动、从单相流动到多相流动等【6 8 ，6 9 ，7 0 1 。p i v 方便的显示了流动结构和流动截面状态，但与比较起来，定量分析上精度稍差。( 5 ) 激光诱导荧光技术激光诱导荧光技术( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e 简称l i f ) ，是一种流动显示与测量技术。它利用了某些物质在特定的光源( 比如激光) 的照射下，吸收不同频率的光子，发生跃迁的过程中，产生荧光的性质。在测量时，选用激光片光源脉冲式照射被测流场，预先混合在流体中的荧光剂就会发出荧光。荧光的强度与浓度是呈线性关系的，又和温度相关，因此l i f 可用于测量浓度、温度。又可利用激光吸收和发射的谱线的多普勒频移来测量流速。现在l i f 与现代先进的图像处理技术相结合，应用c c d 相机拍摄荧光物质的图像信息，经处理后就可得到丰富的流场信息。l i f 技术与前面介绍的几种技术相比，最大的优点就是获得的信息比较全面。在对流动作定性分析时，尤其对高流速、大速度梯度流，显示流动结构和流动截面状态更能凸现它的优势。国内应用l i f 进行流动测试已经做了一些工作，对某些流场给出了定性的分析与结论【7 l ，7 2 1 。从定量分析来看，l i f 要依赖于荧光剂的性质、撒播到被测流体中的速度、浓度的研究，图像处理技术的完善，测量精度比和p i v 要差。以上介绍的各种技术各有优缺点，没有哪一种机器能够单独完成获得被测流场的完整的特性信息，因此近几年来出现了一些复合的流动测量技术。比如，与l i f 相结合，p i v 与l i f 相结合，在测量流动粒子速度的同时获得温度、浓度的信息。另外还有一些流动测量技术，如光学层析技术( c t ) 、热成像技术等。1 4 2 2 静态混合器流场实验研究现状当流动处于湍流时，流场结构的测量就成为一个重要问题。然而，静态混天津大学博士学位论文第一章绪论合器内流速的精确测量是一件复杂的工作，因为静态混合器内的流动是三维湍流，流体的随机脉动特性给流速测量带来了很大困难。目前，关于静态混合器湍流流动测量方面的文献相当有限。s h a 币q 【7 3 j 应用l d a 测量了长径比分别为o 8 、1 0 、1 5 的k e n i c s 静态混合器内的低雷诺数下的流场，给出了轴向速度和周向速度侧形。测量结果表明：进入混合器的流动侧形为稳定的、抛物线速度场，进口效应是不可能导致涡旋的。对于长径比为1 0 的k e n i c s 混合器，当r e = 5 3 2 时，第一个元件内有涡旋出现。测量的结果与h o b b s l 3 0 1 的模拟结果一致。径向速度分量虽然很小，但是足可将中心处的流体移动到外围，这与b y r d e 和s a w l e y 【3 5 ，3 6 】的结果是不一致的。w a d l e y l 7 4 j 等用l i