撞擊流反應器中導流螺旋片強化撞擊過程的數值模擬

羅 燕，周劍秋，郭 釗，熊 卉，楊 俠

(1.南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇 南京210009； 2．武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

撞擊流(impinging streams)的基本原理是使兩股等量工質同軸高速相向流動并在中間面上相互撞擊，以此強化相間傳遞及混合[1-3].立式循環撞擊流反應器VCISR(Vertical Circulative Impinging Stream Reactor)是由我國伍沅教授設計的一種撞擊流新型反應器[4]，利用了液體連續相撞擊流的所有優越特性，大幅度提高流團間的剪切速率，促進了混合[5].為強化VCISR混合性能，楊俠等學者從不同角度對VCISR進行數值模擬[6-8]，包括槳葉布置形式、槳葉傾角、轉速、導流筒間距等，從中得出了最佳混合性能尺寸.本文在前期研究基礎上，對VCISR的結構進行進一步優化，即在前期研究中選取最優槳葉布置形式、槳葉傾角、導流筒間距尺寸等，另外在導流筒內壁增加螺旋片，并進行數值模擬，以分析研究螺旋片尺寸和螺圈數變化對混合性能的影響，找出螺旋片的最優尺寸和螺圈數，進一步為VCISR的結構優化提供依據.

1 數值模擬

筆者采用CFD軟件FLUENT對VCISR導流筒內加螺旋片的撞擊過程進行數值模擬.VCISR結構如圖1所示，上、下螺旋槳推動工質分別從兩端沿導流筒流動，并在容器中部相向撞擊，形成劇烈湍動的撞擊區.

圖1 VCISR結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of VCISR注： 1——容器；2——導流筒；3，4——螺旋槳；5——撞擊區

1.1 幾何模型

依據反應器建立的坐標系如圖2(a)所示，反應器幾何對稱中心點為坐標原點o，水平徑向為x軸，垂直徑向為z軸，與導流筒方向平行的軸線為y軸.類比VCISR實體結構和尺寸構建三維幾何模型，反應器高為600 mm，外徑400 mm；上下兩個導流筒高為220 mm，外徑為300 mm，兩導流筒間距為60 mm，如圖2(b)所示.

圖2 VCISR幾何模型Fig.2 Geometric model of the VCISR

由于導流筒高度一定，取螺旋片的厚度與圈數為變量，設置螺旋片的厚度L分別為0 mm,10 mm,20 mm,30 mm，螺圈數N分別為0 mm,1 mm,2 mm，幾何結構如圖3所示.

圖3 L=20 mm時螺旋片幾何結構示意圖Fig.3 Geometric model of the spiral lamella with L=30 mm

1.2 邊界條件

由于計算區域中運動區域和靜止區域同時存在，筆者采用動態參考系(MRF)[9]模型來解算.使用壓力基隱式求解器，運用SIMPLEC耦合速度場和壓力場，指定兩個槳葉所在的區域為動區域并定義其以大小相等、方向相反的速度旋轉，使流體相向撞擊流動，轉速為900 r/min.為簡化計算，數值模擬中設定工質為標準狀態下蒸餾水，連續、不可壓縮牛頓液體，其中工質密度ρ為998.2 kg/m3，黏度μ為1.002 MPa·s，工質比熱C為4.183 kJ/(kg·℃)，導熱系數λ為0.599 W/(m·℃).

2 模擬結果及分析

通過數值計算得到VCISR的流場，并選取縱剖面和幾何對稱面兩個特征面討論速度分布及速度梯度分布.計算結果表明，不同的螺旋片尺寸和螺圈數會影響相間傳遞，改變撞擊過程.圖4為不同螺圈數下縱剖面(xoz)上的速度矢量圖，因篇幅有限這里僅列出L=20 mm時的速度矢量圖.從圖4可以看出兩個導流筒之間的速度值變化較明顯.增加螺旋片后特征撞擊面上速度梯度的變化與增加螺旋片之前的有很大區別，說明螺旋片的增加改變了流團之間的剪切厚度與方向，對撞擊過程造成很大影響，在導流筒內部，螺旋片起到擾動作用，導流筒內部出現了流線彎曲及流動斜交，提高了流場的各向異性，使其速度分層范圍擴大、更明顯，流體層之間接觸面積增大，從而強化了撞擊區之外的流場混合，這樣可以促進混合的效果；且梯度變化關于幾何對稱面xoy對稱，這與伍沅教授實驗得出的撞擊區位置相符[10]，因此選取幾何對稱面為特征撞擊面.

圖4 L=20 mm時縱剖面的速度矢量圖Fig.4 The vectors of the velocity on the longitudinal diagram with L=20 mm

圖5 L=20 mm時特征撞擊面的速度矢量圖Fig.5 The vectors of the velocity on the impinging surface with L=20 mm

圖5為螺旋片的厚度L=4 mm時特征撞擊面上的速度矢量圖，從圖中可以看出，增加螺旋片后，特征撞擊面上的速度呈不對稱分布，這是螺旋片在導流筒的出口方向影響的結果.

為了更精確的分析不同螺旋片尺寸下特征撞擊面上的速度分布，在特征撞擊面的徑向正方向(x)采集130個數據點，繪成不同螺片厚度和螺圈數下的徑向距離-速度關系坐標圖.圖6所示為L=20 mm時不同螺圈數的撞擊面速度散點圖，圖7所示為N=2時不同螺片厚度的撞擊面速度散點圖.可以看出螺旋片的增加降低了撞擊面上的最大速度，阻礙了反應器內流體的流動.

圖6 L=20 mm時不同螺圈數的撞擊面速度曲線圖Fig.6 The speed curve diagram of different spire turn number on the impinging surface with L=20 mm注：

圖7 N=1時不同螺旋片厚度的撞擊面速度曲線圖Fig.7 The speed curve diagram of the thickness of different spiral lamella on the impinging surface with L=20 mm注：

為了研究螺旋片的最優尺寸和螺圈數，引入徑向平均速度值表征撞擊過程中的傳遞效果，徑向速度均方根差表征撞擊過程中的混合效果.表1所示為特征撞擊面上的徑向平均速度，表中顯示當圈數N一定時，平均速度值隨著厚度L呈不規則變化；當厚度L一定時，平均速度值隨著圈數N也呈不規則變化；但當N=1，L=30 mm時，平均速度存在一最大值，即該尺寸的螺旋片傳質效果最佳.

表1 撞擊面徑向沿x方向各點平均速度值Table 1 The different point average velocity of impinging surface radially along the x direction

對于撞擊流反應器的混合性能，撞擊區內的速度梯度越大其相間混合越好.伍沅教授曾定義瞬變壓力的均方差來描述壓力波動強度[11]，筆者曾通過速度分布的均方根差σ來表示速度值的離散程度[12]，本文引入速度分布的均方根差σ來表征撞擊面徑向速度(vx)的梯度.根據定義，均方根差越大則徑向速度偏離平均值的程度也越大，那么速度梯度也越大，撞擊過程中的相間混合越好.速度分布的均方根差σ計算公式為

(1)

表2 撞擊面徑向沿x方向各點均方差根值Table 2 The root-mean-square of impinging surface radially along the x direction

表2所示為均方根差σ與螺旋片尺寸和圈數的關系，顯示均方根差隨螺旋片厚度和圈數呈不規則變化，當N=0，L=0 mm時，均方根差最大，則速度梯度最大，混合性能良好，即在沒有螺旋片時，其混合性能最優.

3 結 語

a. 螺旋片的增加改變了流團之間的剪切厚度與方向；螺旋片在導流筒的出口方向影響了特征撞擊面上的速度分布，對流體流動存在擾動作用，導流筒內部出現了流線彎曲及流動斜交，提高了流場的各向異性，從而使其速度分層范圍擴大，促進了混合，并且特征撞擊面上速度呈不對稱分布.

b. 螺旋片的增加降低了撞擊面上的最大速度，阻礙了反應器內流體的流動.

c. 螺旋片的增加，使撞擊面上的平均速度、均方根速度呈不規則變化，且使其表征的混合性能降低，沒有強化撞擊過程.

參考文獻：

[1] Elperin IT. Heat and Mass Transfer in Opposing Current [J]. Engng Physics, 1961,21(6): 62-68.

[2] Pitt G J, Millward G R. Coal and Modern Coal Processing: An Introduction[M]. New York: Academic Press, 1979.

[3] Bley P, Ehrfeld W. Molecular dynamics of disparate mixtures in opposed jets[M]. In: Fisher S S (ed). New York:Rarified Gas Dynamics. AIAA, 1981.

[4] 伍沅. 立式循環撞擊流反應器[P]. 中國專利：ZL03235518.1.2004-12-01.

[5] 伍沅,肖楊,周玉新,等.浸沒循環撞擊流反應器中的微觀混合[J].中國化學工程學報:英文版,2003,11(4):420-425.

[6] 楊俠,羅燕,郭嘉,等.立式循環撞擊流反應器三維流場的數值模擬[J].化工機械,2011,38(1):87-90.

[7] 楊俠,張濤,梁利云,等.立式循環撞擊流反應器中槳葉垂直交錯排布條件下的混合性能[J].化工進展,2011,30(4):715-719.

[8] 楊俠,毛志慧,吳艷陽,等.立式循環撞擊流反應器不同傾角槳葉的混合性能比較[J].化工機械,2011,38(3):331-334,374.

[9] 朱紅鈞,林元華,謝龍漢. FLUENT流體分析及仿真應用教程[M].北京:人民郵電出版社，2010.

[10] 張濤，吳艷陽，楊清,等.立式撞擊流反應器中槳葉優化設計[J].武漢工程大學學報，2011，33(5)：78-81.

[11] 伍沅. 撞擊流:原理·性質·應用[M].北京:化學工業出版社,2006.

[12] 楊俠,劉豐良,毛志慧,等.立式循環撞擊流反應器不同撞擊間距下混合性能分析[J].化工進展,2012,31(6):1210-1214.