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静态混合器两相流数值模拟分析 1 静态混合单元结构 静态混合器是一种新型的混合设备，与动态搅拌混合相比没有内部振兴装置。在管道的混合器中流动两种分离的液体后，通过混合单元的作用，混合部分相互混合。由于其良好的掺混性能, 以及具有结构简单、性能优良、运行费用低等优势, 广泛应用于化工等领域, 用以强化混合、传热、吸收和多相反应等工业操作过程。 静态混合器内的混合单元结构对混合效果起着重要的作用, 混合单元结构形式可以是多种多样的, 不同结构达到的掺混效果和对流体流动产生的阻力也有很大差别。要深入研究混合单元结构对掺混效果的影响, 仅靠工程试验提供的参数是远远不够的, 随着计算机应用能力的不断提高, 尤其在流体流动领域的数值模拟计算的飞速发展, 采用有效的CFD模拟计算可以得到更多的流场信息, 比如速度矢量、湍动能、湍能耗散、压力损失等等, 这些信息对于优化静态混合器的混合单元结构起着重要的作用, 可以帮助我们经济而高效的设计。 2 混合器混合单元布置 本文设计静态混合器的混合单元为管式内置翼片型 (结构见图1) , 中心投药, 投药管径为1/4混合器管径。混合器为圆管, 混合单元由一系列翼片组成, 翼片呈梯形, 以一定角度附在管道的内壁, 一圈安排4个翼片, 沿管道圆周方向均匀布置。混合器的管道长径比为5, 考虑流动阻力应小, 设计翼片倾角为30度。两排翼片之间按顺排排列, 翼片的排数依据混合效果而定, 这里设计1排、2排、3排形式, 并分别进行数值计算, 分析其效果。 3 网格划分 静态混合器三维建模, 整体网格划分如图2所示。网格数为50多万, 在翼片表面及管道壁面处的网格进行了加密处理。 4 混合模型的建立 数值计算采用目前国际流行商用软件fluent6.1, 因为涉及两相介质掺混, 掺混质量分数为13%, 因此选用多相流的混合模型 (分离式、k-ε标准模型) , 主流介质设为水, 第二介质设为密度略小于水的流体, 入口条件采用入口速度边界条件, 出口条件采用出口压力边界条件, 壁面条件按无滑移条件处理。 5 两相流混合掺混效果分析 两相流体混合效果选用流体密度参数来表达, 图3～图5分别为1排、2排、3排翼片静态混合器对两相流混合处理效果图。从图中明显可以看到:随着翼片排数的增加, 混合效果显著加强。两相流体在内置1排翼片的静态混合器中混合, 到达出口时, 第二流体中心处还没有发生掺混;在2排翼片的静态混合器两相流的混合过程中, 第二流体到达第2排翼片时, 已全部发生掺混, 但混合不完全;两相流在3排翼片的静态混合器混合, 掺混层次十分明显, 在第2排翼片前第二流体在扰动下已全部发生掺混, 两相流体随第3排翼片产生的扰动进一步掺混, 但在混合器出口处仍未达到混合充分。 由该组数据分析可知, 内置3排翼片的静态混合器对流体扰动影响显著, 但翼片倾角设为30度时, 在此还不能使两相流体充分混合, 因此要采取措施加强混合效果。强化混合有两个途径:一是再增加一排30度倾角的翼片;二是改变翼片倾角度数。由于增加一排翼片在加工和压损方面都会带来不利, 权衡利弊, 在此选择改变翼片倾角, 将翼片倾角由30度增加到45度, 并再次进行计算, 得到图6, 我们可以看到:流体扰动十分强烈, 第二流体在第1排翼片处已全部发生掺混, 随着第2、3排翼片的进一步作用, 两相流体掺混效果逐步完善。接近混合器出口处, 两相流体完全混合, 达到掺混目的。 6 静态混合器 1) 利用数值计算软件可以快速预测工程设计效果, 对工程设计提出建设性方案, 从而改良设计参数, 更快达到设计要求。 2) 内置翼片型静态混合器, 通过翼片对流体产生的扰动具有一定的掺混效果, 随着翼片排数的增加, 掺混效果逐渐加强。 3) 静态混合器的内置翼片的倾角对两相流体掺混效果起着重要的作用, 在本设计的静态混合器结构尺寸条件下, 内置3排45度倾角翼片的静态混合器可以达到充分混合效果。