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第 37卷 第 6期 2010年 北京化工大学学报 自然科学版 JournalofBeijing University ofChe m icalTechnology NaturalScience Vo l 37 No 6 2010 组合桨层间距对搅拌槽内流动特性的影响 童 鸣 赵 静 李志鹏 高正明 北京化工大学 化学工程学院 北京 100029 摘 要 采用粒子图像测速技术 PI V 对三层组合桨 HEDT 2WHU 搅拌槽 槽径 0 476m 内的流动特性进行了 研究 在搅拌转速 顶桨浸没深度和顶层桨高度不变的情况下 得到了中层桨位置的变化对搅拌槽内的流型 相位 解析速度场和湍流动能的影响规律 结果表明 中层桨位置的改变对搅拌槽上部区域流体的流动特性影响显著 而对搅拌槽下部区域流体的流动特性产生影响较小 随中层桨位置降低 槽上部液面处反向回流区逐步缩小直至 消失 中 顶层桨合并轴向流断裂 底桨上涡环作用范围不断压缩 对于相位解析速度场 较之中层桨尾涡几乎没有 变化 顶桨尾涡的发展由极其微弱逐渐清晰 底桨尾涡则提前了 10 相位出现 对于湍流动能分布 中 上层桨逐渐 趋向于类似两层桨单独作用 底 中层桨间整体湍流动能增大 关键词 多层组合桨 粒子图像测速技术 流型 尾涡 湍流动能 搅拌槽 中图分类号 TQ051 7 收稿日期 2010 04 16 基金项目 国家自然科学基金 20821004 20776008 第一作者 女 1986年生 硕士生 通讯联系人 E mai l gaoz m mai l buct edu cn 引 言 釜式搅拌反应器广泛应用于化工 制药等工业 领域的混合过程中 并且当搅拌槽的高径比较大时 往往采用多层搅拌桨以保证反应器的搅拌效果 然 而传统的多层径向流桨叶的组合其分区现象严重 不利于全釜内物料的充分混合 因此轴流型桨叶因 其循环能力强的特点在组合式搅拌中得到愈来愈多 的重视 1 多层桨存在多种不同的桨型组合形 式 2 4 近年来工业上由底桨为径流型桨叶 上桨为 轴流型桨叶配合使用组成的组合桨的应用越来越广 泛 尤其是在气液多层混合搅拌中 前人对此类桨 型组合 HEDT WHU 的混合性能进行了研究 5 7 但是这些研究多集中在混合时间 搅拌功率等宏观 现象 缺乏对其流动特性的深入了解 随着激光 计算机和影像技术的发展 目前粒子 图像测速技术 PI V 在流场测量领域得到了广泛应 用 它能够在对流场不产生干扰的基础上 实现流 动瞬态 全场的测试 具有较高的测量精度和分辨 率 8 10 Gao等 11 用 PI V方法研究了单层 Rushton 桨叶无挡板搅拌槽内 在固定转速和周期性交变转 速两种操作条件下流场的平均速度和均方根速度 Pan等 12 利用 PI V技术分析比较了不同层间距下 双层 Rushton桨搅拌槽内流型的变化 马鑫等 13 采 用 PI V技术对单层 双层平行布置和双层交错布置 等三种条件下的四斜叶桨的流场进行了测量 本文采用相位解析的 PI V技术 测量了不同中 层桨位置下组合桨搅拌槽内的流场分布 详细分析 了不同中层桨位置下搅拌槽内流型分区变化 相位 速度 以及桨叶尖端和中心处湍流动能的分布规律 1 实验部分 1 1 搅拌槽实验装置 实验在槽径 T 为 476mm的平底圆柱形有机玻 璃搅拌槽中进行 搅拌槽内均布四块挡板 每块挡 板宽度均为 T 10 与槽同高 挡板与槽壁间无缝隙 实验时挡板位置略后置于激光面入射位置 以避免 相机拍摄时挡板位于拍摄面内 从而获得最佳测量 区域效果 搅拌槽置于一个长方体有机玻璃槽内 以减少激光束透过有机玻璃弧形面引起的光折射 搅拌槽顶部盖有两块透明的有机玻璃盖板 以防止 灰尘等杂质进入槽内影响实验效果 实验以清水为工作介质 常温下操作 配置搅 拌桨为三层组合桨 其中底桨为 HEDT六叶半椭圆 管盘式涡轮径向流桨 中层桨和上层桨为 WHU四宽 叶翼形轴向流桨 上提式操作 三层桨桨径均为 D 0 4 T 底桨离底距离 C1 0 4 T 上层桨离液面距 离 H 0 44 T 中层桨操作位置分别为 C2 1 03 T 高位 0 88T 中位 和 0 73 T 低位 为避免强 激光反射对相机造成损坏 搅拌轴和桨叶均经过发 黑处理 两槽内均充满相同液位 H 1 8 T 的清水 介质 示踪粒子为直径约 8 12 m的空心玻璃珠 其密度与水相近 桨叶转速 N 90 r m in 图 1 搅拌槽装置图 F ig 1 Sche matic illustration of the experi mental apparatus 图 2 不同中层桨位置下组合桨示意图 Fig 2 Schematic diagra m of the experi mental multi i mpeller positions 1 2 PIV实验方法 实验采用美国 TSI公司生产的 PI V系统 粒子 图像测速系统 其组成包括成像系统 脉冲激光 器 光臂 片光源 图像采集系统 跨帧 CCD相机 相机接口板 同步器控制单元 图像分析和显示系 统及示踪粒子添加系统 PI V系统在时间间隔非常 短且精确的两个时刻 瞬间捕捉住流场 并采用图像 处理技术将所得图像分成许多查问区 通过互相关 算法对查问区所有粒子数据进行统计平均 得到在 设定时间间隔内查问区中大量示踪粒子的速度矢 量 再对所有查问区进行统计从而获得整个速度矢 量场 本实验查问区大小为 32 32像素 两个相邻查 询区 50 重叠 空间分辨率为 1 28mm 1 28mm 如图 3所示为 PI V系统实验装置图 Nd Yag双腔 脉冲激光器发出激光束 先后通过凹柱面镜和球面 镜形成片光 垂直于方槽的玻璃壁面入射到圆柱形 有机玻璃槽内 照亮流场中的测量平面 用标准分辨 率 4008 2672 的 CCD相机拍摄流场中各时刻的 流场图像 轴编码器用来实现相位解析流场的测 量 同步器用来控制激光器 相机和轴编码器间的协 同工作 定义某一叶片与片光源平面间夹角为相位 角 零相位角 0 定位于激光同时打在 HEDT 桨 叶半椭圆管开口方尖端及中 上层 WHU桨叶前部尖 端 由于 WHU桨的 4个桨叶及 HEDT 桨的 6个桨 叶对称平均分布 所以数据采集在 9个不同位置处 进行 在桨叶转过 0 10 20 30 40 50 60 70 和 80 此 9个相位角度处拍照 每个相位角度拍 摄 300对图像 图 3 PI V 系统示意图 F ig 3 Plan view of the PIV syste m 2 结果与讨论 2 1 平均速度场 图 4所示分别为 3种条件下搅拌槽内流型示意 图 槽内产生的流场相当复杂 由实验结果可见 在 半槽内形成 4 5个独立的涡环 底桨叶轮区流体 在叶片的作用下形成径向射流 流向器壁 在此过程 中夹带了大量周围的液体 撞击到器壁后一分为二 一部分沿壁面向上 一部分向下 在叶片的抽吸作用 24 北京化工大学学报 自然科学版 2010年 下流回桨叶区 形成 双循环 的流动形式 中层桨 位置的改变对底桨下涡环影响不大 上涡环被不同 程度的压缩 三种情况下底桨上涡环作用范围分别 为 0 81 T 0 74 T 和 0 62 T 中 上层桨为 WHU上提式轴流桨 流体从桨叶 下方被桨叶吸入并向上部排出 然后沿槽壁返回 中层桨高位操作时 中 上层桨连接密切 由于上层 桨的抽吸作用和中层桨的排流作用 1 6T 范围内轴 向流明显 两桨间形成一个整体轴向流动循环 但 1 6 T 至液面处存在较大范围的反向回流区 中层 桨在中位时 中 上层桨大循环连接流断成两个涡 环 中层桨受到底桨及上层桨抽吸流体作用的影响 涡环较小 上层桨叶轮的作用范围仍小于槽内液深 高度 在大约 1 6T 1 72 T 处流体转向槽壁流动 反向回流区域范围明显减小 且向桨叶上方靠轴心 区域及液面处移动 中层桨位于低位时 中 上层桨 由于距离增大 上层桨所受到的抑制作用极大减弱 叶轮的作用范围扩展至液面 使得在液面处产生的 小反向回流区消失 槽体上部至液面处形成一个大 循环 与单层轴向流桨的流动有一定的相似性 图 4 搅拌槽内流型示意图 Fig 4 Sche matic illustrations of the flow pattern 2 2 相位解析速度场 相位解析速度用叶端线速度 Vtip无因次化 坐标 轴用槽径 T 无因次化 为简洁起见 仅挑选部分变 化明显的图 如图 5所示为各中层桨位置下底层 HEDT桨 在 10 20 和 30 的 3个相位处相位解析速度及湍 流动能分布图 流体从桨叶的上 下方被吸入桨叶 从桨叶中心射出 射流方向沿水平方向略微上扬 三种条件下 底桨叶片上 下端缘均有一对自旋方向 相反的尾涡 不对称分布在射流两侧 随着桨叶的转 动 两尾涡逐渐靠近 从图 5看出 中层桨在高位 时 20 时 在桨叶上方和下方各出现一个尾涡 但中层桨位置降低以后 底桨的尾涡出现于 10 时 尾涡出现以后 其以后的发展趋势大致相同 均 随桨叶的转动向径向位置向外移动 直至消散 图 5 底桨相位解析的速度及湍流动能分布图 F ig 5 Phase resolved plots of velocity and turbulent kinetic energy fields for the lower i mpeller see F ig 2 图 6为各中层桨位置下中 上层 WHU桨在 10 40 和 70 的 3个相位处相位解析速度及湍流动能分 布图 从图中可看出 中 上层桨叶片后方均存在单 一的尾涡结构 尾涡自叶片下边缘产生 沿轴向向 上移动 如当中层桨处于中位时 10 相位时中 上 层桨尾涡分别位于 z T 0 8521和 z T 1 3226 处 40 相位时已运动 至 z T 0 8844和 z T 1 3597处 3种条件下 中层桨尾涡发展规律大致 相当 均为自 10 时开始产生 70 时开始消散 生命 周期较底层桨长 而在中层桨处于高位时 上层桨 的尾涡结构较中层桨不明显且衰减较快 在少数相 位处可见微弱的尾涡结构 但在图 6给出的 10 40 和 70 相位处均未见明显尾涡结构 当中层桨在低 位时 中层桨对上层桨的作用减弱 其尾涡轨迹与中 层桨的尾涡轨迹基本相同 说明在此层间距下 中 上层桨类似于两桨单独作用 2 3 湍流动能 湍流动能是流场的重要参数之一 它的表达 25 第 6期 童 鸣等 组合桨层间距对搅拌槽内流动特性的影响 图 6 中 上层桨叶相位解析的速度及湍流动能分布图 F ig 6 Phase resolved plots of velocity and turbulent kinetic energy fields for the upper and inter mediate height i mpellers see F ig 2 式为 k 1 2 u 2 v 2 w 2 1 在有挡板搅拌槽中 2D PI V 和 3D PIV测量计 算出来的桨叶附近的湍流动能几乎没有差别 14 运用局部各向同性假设 假设w 2 1 2 u 2 v 2 代 入到式 1 得 k 3 4 u 2 v 2 2 通过上式可由径向与轴向脉动速度计算湍流动 能 k 在图 5 6中湍流动能 k用叶端线速度 V 2 tip无 因次化 从图 5中可以看出 底桨高湍流动能区域主要 集中在尾涡附近的射流区 射流区及其周边流体具 有较大的速度 在尾涡的作用下又具有高剪切速率 从而存在大量的大尺度脉动 形成了高湍流动能分 布 高湍流动能区域随尾涡的运动而运动 但随着 尾涡消散 湍流动能逐渐减小 由图 5可发现 3种 条件下 湍流动能均沿圆盘平面不对称分布 高的湍 流动能分布于尾涡靠近射流区域 由于射流射出方 向略微上扬 水平方向上 2个尾涡略向斜上方运动 高湍流动能区在上半桨叶区域明显高于下部区域 中层桨在高位时 30 位置处叶片上下边缘出现高湍 流动能区 而中层桨在中 低位置时 20 位置处即在 叶片上下边缘出现高湍流动能区 30 位置处高湍流 动能区相互连接 中层桨在低位置时 底桨受中层 桨扰动影响加强 底 中桨间湍流动能整体增大 从图 6可以看出 3种位置下高能量区均主要 集中在各层桨叶上方区域 高湍流动能区与尾涡区 基本一致 随尾涡发展而运动 从而实现能量自桨叶 向槽内其他区域传递 达到混合的目的 中层桨在 高位时 上层桨尾涡结构不明显 几乎不存在 k V 2 ti p 0 09的高湍流动能区域 两桨间 k V 2 tip 0 03的区 域相互连接 其中中层桨 k V 2 tip 0 03能量区主要 集中在桨叶竖直上方 上层桨 k V 2 tip 0 03能量区 在 1 5T 1 6 T 范围内向槽壁弯曲倾斜 与中层桨 在中 低位置时该能量区发展成扇形相比 其呈狭长 长条形 中层桨在中位时 两桨间仍存在微弱的相 互作用 但由于上层桨的尾涡衰减快于中层桨 因此 上层桨各相位的高湍流动能区 k V 2 tip 0 09 明显 弱于中层桨 中层桨在低位时 两桨的高湍流动能 区 k V 2 tip 0 08 具有相似分布 但中层桨由于受到 底桨干扰影响脉动加强 其 0 08 k V 2 tip 0 04区 域强于上层桨 湍流动能整体得到加强 3 结论 1 槽内中层桨位置逐渐降低时 上层桨受中 层桨的抑制作用逐渐减弱 反向回流区中心向液面 靠近轴处移动 且区域范围逐渐缩小直至消失 底桨 下涡环形态特征几乎没有变化 而上涡环作用范围 逐步被压缩 组合桨在搅拌槽内产生的流场复杂 槽上部产生的流型受中层桨位置的影响较大 当中 层桨处于低位时 较少数量的循环区有利于槽内物 料的混合 2 不同中层桨位置下 底桨尾涡的发展规律 26 北京化工大学学报 自然科学版 2010年 大致相同 但中层桨在高位时 底桨尾涡出现在 20 处 较之另两种情况延迟一个相位出现 中层桨尾涡 的形成与发展几乎没有变化 上层桨在三桨中变化 最明显 中层桨处于高位时 上层桨尾涡结构极其微 弱 仅在两个相位处观察到尾涡 随中桨位置下移 尾涡结构逐渐增强 与中层桨尾涡发展逐渐同步 3 搅拌槽内高湍流动能区分布与尾涡发展一 致 当中层桨位置处于中 低位时与高位相比 底桨 叶片上下边缘提前一个相位开始出现高湍流动能 区 但延迟一个相位两块高湍流动能区完全合并 3 种情况下 中 上层桨 k V 2 tip 0 03的湍流动能区均 主要集中在桨叶上方区域 但分布形态有所差异 上 层桨 k V 2 tip 0 09的高湍流动能区受中层桨位置影 响极大 当中层桨在低位时 中 上层桨湍流动能分 布形态相似 符号说明 C ii In phase resolved plots