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hev型静态混合器两种翼片排模设计的数值模拟分析 静态混合器是20世纪70年代开发的一种新型高效化工单元设备。在众多类型的静态混合器中,使用较为广泛的是HEV型静态混合器,这种混合器具有内部结构简单、流动阻力小、压力损失小以及加工制造相对容易等特点。为了使HEV型静态混合器能更好地应用于工业生产,有必要对其流体力学性能进行研究,找到优化其结构的方法,使之掺混效果和经济性提高。 本文采用目前国际流行商用CFD软件Fluent6.1,对HEV型静态混合器在不同翼片排列方式下的流场进行了模拟计算,依据模拟结果对它们的性能进行了分析比较。 1 翼片排列方式对混合器掺混效果的影响 流体流过静态混合器形成的湍流场特性决定了两相流的传质、混合效果,而湍流场变化与混合器的内置翼片结构和排列方式直接相关。翼片有大小长短之分,先前研究发现长翼片对掺混作用较大;翼片内置角度对掺混效果有一定影响,角度越大混合强度越大,但翼片角度大也会带来流动阻力大,翼片加工要求高等问题;翼片内置排数是混合效果的重要影响因素,3排翼片的混合器混合效果比1排和2排的效果提高幅度大,能够达到混合的初步要求,因此,选用内置3排45°角度长翼片来分析计算翼片的排列方式对HEV型静态混合器掺混效果的影响。 翼片的排列方式会引起不同扰动,造成静态混合器内产生不同的速度场和湍流场,在此,模拟计算HEV型静态混合器内置翼片在顺排和错排两种方式下的混合效果。HEV型静态混合器内置翼片排列结构如图1。 2 第二入口和5.2网格划分 HEV型静态混合器模型三维建模,采用长径比为6,两个入口第一入口与第二入口的管径比为4,3排翼片等距排列,计算网格采用四面体的拓扑结构,网格数为52万,在翼片表面及管道壁面处的网格进行了加密处理。整体网格划分如图2所示。 3 vt+社区型化 湍流模型采用标准k-ε模型,其控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、k方程和ε方程,其通用式为: ??t(ρ?)+div??t(ρ?)+div(ρu?)=div(Γgrad?)+S 式中?——通用变量,代表u、v、w、T、k、ε等求解变量; Γ——广义扩散系数; S——广义源项。 对于特定的方程,?、Γ和S各有特定的形式,表1给出了3个符号与各特定方程的对应关系。 方程中的常数C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3,模型中的湍能产生项以及浮力产生项的处理等均可参考文献。 4 混合模型的建立 HEV型静态混合器模拟计算采用Fluent6.1,以主流相雷诺数为50,000为基础,使用k-ε模型,多相模型采用混合模型。主相和二次相材料分别为water-liquid和gasoli-liquid(自定义),其质量分数为13/87,两相入口均采用速度入口边界条件,出口采用压力出口边界条件,壁面条件按无滑移条件处理。 5 计算 经过迭代计算,各个方程的残差小于10-3,计算结果收敛,得到两种排列方式下混合器内流场组分、速度、湍流、压力等参数的分布情况。 5.1 顺排方式内流体扰动的影响 两相液体进入HEV型静态混合器后,自身由于扩散运动开始相互掺混,但效果很差。通 过翼片阻挡对流体产生扰动,加剧了两流体间的掺混。在顺排方式的混合器中,由于翼片排列整齐,产生的扰动规律;而错排的翼片使扰动在不同位置发生,这种不规律性使掺混效果有所加强。从图3可以看到,顺排方式出口中心的掺混达到40%,错排方式出口中心的掺混达到50%;错排方式下出口处的掺混范围比顺排方式下的大。 5.2 翼片错排方式混合器混合器混合器运行状态 图4展示两种结构的HEV型静态混合器在z=0的二维面上速度分布情况,通过对比可以看出,在翼片错排方式的混合器中,流体经过翼片造成的速度梯度比顺排方式的大,在第3排翼片处这种对比现象尤为突出,而且翼后较长一段距离持续这种大的速度梯度。可以判断,这是错排方式可强化两相流体掺混效果的原因,也可以推断,通过延长混合器翼后距离,翼片错排方式的混合效果会有较大提高。 5.3 翼片排列方式对湍流度的影响 流场中的湍流变化对于判断两相流体混合情况也是重要参数之一,图5比较了HEV型静态混合器在z=0的二维面上翼片顺排和错排的湍流度分布情况。图中显示,在第1排翼片处, 两种排列方式下的湍流度分布基本一致,但到了第3排两者的差异较大。这说明翼片排列方式对流体湍流影响较大。可以看出错排方式在第3排会造成更大的湍流度,即对两相流掺混作用更大。 6 继续探索混合器结构尺寸改 (1) HEV型静态混合器中,翼片错排方式产生的两相流掺混效果比顺排方式有所提高,但在出口处混合未充分,可继续尝试改变翼片间距、尾距等结构尺寸来改善掺混效果。 (2) 错排方式在第3排翼片处造成的速度梯度比顺排的大,尾部持续久,可推断延长混合器翼后距离对强化