基于Fluent的多流道螺旋靜態混合器數值分析

徐鵬博

摘 要：多流道螺旋靜態混合器（簡稱SD型靜態混合器）是在SK型靜態混合器的基礎上新開發的一種靜態混合器。該混合器可以實現流體在多個（3個及以上）通道內同步螺旋流動，提高湍動混合程度。文章利用流體力學軟件FLUENT 5/6，采用Realize k-ε模型對SD型靜態混合器在不同雷諾數以及不同結構參數下的流動阻力進行了數值模擬。

關鍵詞：FDD-LTE；TDD-LTE；SD型混合器；長寬比；扭轉角；流動阻力；雷諾數

中圖分類號：TQ051.71 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-0006-02

1 概 述

流體混合可能是化學工業生產中最常見的一種現象。目前，工程上促使物料混合的基本方法有：機械攪拌、射流混合、靜態混合。靜態混合器（STATIC MIXER）借助流體管路的不同結構，得以在很寬的雷諾數范圍內進行流體的混合，而又沒有機械式可動部件的流體管路結構體。作為一種沒有運動部件的高效混合設備，靜態混合器得到了廣泛的應用。

靜態混合器的設計和研究大多還只是停留在經驗和實驗的基礎上，隨著流體力學的發展，靜態混合器的數值模擬漸趨成熟。尹紅霞用計算流體力學軟件FLUENT對內置翼片靜態混合器的三維流場情況與液-液兩相流混合情況進行數值模擬；Bakker和Laroche用Fluent軟件求解了HEV螺旋形靜態混合器；朱錫峰用Phoenics軟件對自行研制的靜態混合器進行了數值模擬。

本文采用數值模擬的方法求解出在管內徑一定情況下，不同結構參數（不同長寬比、不同螺旋角下）的混合器在不同雷諾數時（不同流量）的流體阻力特性研究，從而為工業應用提供技術支持。

2 網格劃分

為了獲取較詳細的流場信息，本文擬研究在恒管徑（φ76×4 mm）和恒管長（1 000 mm）時不同長寬比（不同單元數）下，5葉片螺旋角為180 °的混合器部分流場特性。混合器中元件前后各留有140 mm的空管段，這樣元件長寬比4：1（6單元），3：1（8單元），2：1（12單元）時均保證元件的總長為720 mm不變。

本文試圖嘗試在盡量滿足模擬結果精度要求的情況下，所獲取的模擬時間盡量的短。在用GAMBIT進行網格劃分時，本文選用不同的節點間距生成網格，然后將網格文件導入FLUENT中進行模擬（模擬前檢查網格質量良好且無負體積）。3葉片長寬比4：1時相鄰節點間距為2時部分元件的網格圖，如圖1所示。

經過多次反復試驗，發現Realize k-ε模型從收斂精度和穩定性等方面均較好的滿足了模擬要求。為此，本文采用Realize k-ε模型進行后續模擬。

3 流體阻力特性研究

靜態混合器的流動阻力是評價其性能的一個重要指標[4]，流動阻力的大小主要取決于流速、介質粘度以及流道的長度和復雜程度。本文將從流體參數、長寬比、扭轉角、混合單元數、葉片數量諸方面研究他們對流體阻力的影響，從而探尋結構參數對流體阻力的影響規律。

本文嘗試在取幾個適中雷諾數時（研究表明SK在Re為400即達到湍流狀態）同時采用層流和湍流模型計算。由于多流道旋流片的加入使混合管壓力降大大增加，流速越小影響程度反而越大。在本混合器正常工作的流速范圍內其壓力降為光滑空管壓降的10倍左右，該壓力降參數可以作為初步估算本靜態混合器壓力降的依據。

在混合元件總長一致的情況下，本文模擬了長寬比分別為2：1、3：1和4：1的3流道螺旋靜態混合器壓力降隨雷諾數的分布情況，如圖2（a）所示。

通過比較發現，在任意雷諾數（流量）下，混合器總壓降均隨著螺旋葉片長寬比的減小而增大，兩者之間成一定的反比關系。為了分析扭轉角對流動阻力的影響，本文從90 °角時開始，每隔30 °做一組模擬，直至270 °，文中特意添加了360°角的一組模擬，如圖2（b）所示。

研究發現螺旋角與壓力降成一定的比例關系。相同雷諾數下，90 °角（螺旋角最小）時混合器的壓降為最小，然后隨著角度增加，壓降也隨之增加，360 °角（螺旋角最大）時混合器的壓降為最大，90 °角的壓降與360 °的壓降相差很大，這與理論分析相符合。

為分析混合單元數對壓力降的影響，本文選取了混合元件長寬比為4：1的本靜態混合器針對7種不同雷諾數下的壓力降進行了模擬研究，如圖2（c）所示。

通過對比發現，在雙對數坐標下，每種雷諾數Re下的壓力降與單元數之間都近似成一定的線性關系，各條直線斜率基本一致。

為了研究葉片（流道）數量對流動阻力的影響程度，本文從空管到SK型靜態混合器再到3葉片、4葉片、5葉片SD型靜態混合器做了一組流動阻力對比分析，如圖2（d）所示。螺旋葉片長寬比4：1，相應的SK型靜態混合器葉片長徑比2：1，測得Re=1133時的壓降分別為0.252541 Pa，2.220367 Pa，2.834353 Pa，3.50132 Pa，4.373689 Pa，3葉片時的壓降近似為空管的10倍。不難得出空管的壓降最小，SK 次之，5葉片最大。葉片數越多，壓力降越大。

4 結 語

本文采用計算流體力學（CFD）的方法，對一種新型的多流道螺旋靜態混合（SD型靜態混合器）在管內徑一定時不同雷諾數（不同流量）以及不同結構參數（不同長寬比、不同螺旋角下）的混合器在阻力特性進行了初步研究，主要得出了如下結論：

對不同長寬比下的SD型混合器壓降比較發現，在任意雷諾數（流量）下，混合器總壓降均隨著螺旋葉片長寬比的減小而增大，即兩者成一定的反比關系， 而且長寬比較小的多流道螺旋靜態混合器的壓力降對流量波動更為敏感。

對含不同螺旋角的SD型混合器分析發現，螺旋角越大，壓降越大，主要是因為在混合元件長度一定的情況下（螺距恒定），螺旋角越大，元件的扭轉程度越大，導致流體走過相同的軸向位置時花費的時間越長，同時流體被分割和剪切的程度也越大，這樣流體獲得的阻力自然就會隨著扭轉角的增加而增加。但工程實際中必須結合實際（加工難易、制造成本、混合效果等）選取一定范圍的螺旋角，本文的研究恰確定最優螺旋角奠定了一定的基礎。

SD型混合器的壓力降與混合單元數成一定的指數規律，而非正比關系，形成這種規律的原因是因為壓力降由兩部分構成：一部分是由于混合單元數的增加增大了流體與元件的接觸長度，摩擦阻力增大，摩擦阻力與混合單元數成正比；二是由于混合單元數增加的同時增多了相鄰混合元件的交接區域，在交接區域內流體存在剪切、扭轉及沖擊等，消耗一定的流體動能，從而形成一定的局部阻力。

葉片數越多，通過混合器的壓降越大。當Re<700時，SD型靜態混合器壓力降略小于SK型靜態混合器；當Re≥700時，SD型靜態混合器壓力降略大于SK型靜態混合器。

文中也只研究了一種混合內徑下的SD型混合器的阻力特性，接下的工作者可以嘗試研究更大管徑的SD型混合器的混合情況。

參考文獻：

[1] 尹紅霞.內置翼片靜態混合器的三維流場模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工 業大學，2006.

[2] Bakker A，LaRoche R.Flow and mixing with Kenics static mixers[J]. Cray Channels，1993，（3）.

[3] 朱錫鋒.液體比例混合與流動可視化研究[D].浙江：浙江大學，1996.

[4] 陸寒冰.新型靜態混合器的CFD研究[D].天津：天津大學，2007.

[5] 陳邦國.流體力學[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6] Urpelf Paprican Chair，ELF-GRL，ELF Aquitaine.Numerical Investigation of the Performance of Several Static Mixers[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1998，（76）.