基于FLUENT的乳化液配比攪拌器的選擇與研究

袁繼成 王然風 高立志 黃光平

(太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

基于FLUENT的乳化液配比攪拌器的選擇與研究

袁繼成 王然風 高立志 黃光平

(太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

針對乳化液混合不均勻導致濃度傳感器失準以及濃度過高或過低的乳化液輸送到工作面引起液壓設備損壞等問題,對乳化液均勻混合起關鍵作用的攪拌器進行了選擇與研究。在FLUENT平臺對三種現有的攪拌器在配比裝置中的混合過程進行數值模擬,分析得出了有利于乳化液混合的攪拌器類型,為其在實際工業應用的設計與選用提供依據。

乳化液混合 數值模擬 渦輪攪拌器 攪拌效果

乳化液作為煤礦支護設備的工作介質,其濃度值合適與否將直接影響支護設備的壽命和性能,因此,乳化液配比過程必須嚴格控制乳化液的濃度。目前,國內對乳化液濃度的在線檢測方法都是基于乳化液混合均勻的前提下實現的,主要包括超聲衰減法、超聲聲速法、紅外透光法、折光法以及光纖光柵傳感法等等,然而在實際生產過程中,由于乳化液混合不均勻使得濃度傳感器存在測量失準的問題,這將嚴重影響乳化液配比的準確性。

支架用乳化液是一種典型的水包油型(O/W)乳化液,在攪拌器的高剪切作用下,使得乳化油以極小的油滴形式均勻的分散在與之不相溶的水相中,攪拌器性能的好壞將直接影響乳化液混合的均勻情況。本文以現場常使用的3種類型的攪拌器為研究對象,對它們在乳化液配比裝置內的混合特性進行模擬,對其在工業上的設計和選取提供可靠的依據。

1 乳化液配比裝置模型的建立

1.1 建立幾何模型

由于井下巷道寬度和高度的限制,故將配比裝置設計為立方體,乳化液配比裝置底面為2.4 m ×1.4 m的長方形,高度為1.3 m,配液時液面高度為1.0 m。選用的攪拌器的攪拌槳直徑為0.6 m,離底面高度為0.3 m。乳化液配比裝置結構示意圖如圖1所示,3種攪拌器攪拌槳結構示意圖如圖2所示。

1.2 模型網格劃分

由于加入乳化油后箱體內的濃度場不對稱,因此選用整個箱體作為分析的計算域。網格劃分在前處理軟件Gambit中進行,采用非結構化與結構化相結合的混合網格創建技術,運動的槳葉區采用非結構網格,為了增強其計算精度,對該區域的網格進行加密處理,箱體的其他區域通過合理的分區創建結構化網格。

圖1 乳化液配比裝置結構示意圖

圖2 3種攪拌器攪拌槳結構示意圖

2 模擬策略

2.1 模擬方法

乳化油和水為兩種互不相溶的液體,乳化油和水的混合屬于兩相流的范疇,故需引入兩相流模型。本次研究采用VOF模型,VOF函數定義為計算流場中每個單元中目標相的體積與單元體積的比值——即計算單元中目標相的容積比率。通過觀測目標相的容積比的變化來實現對乳化油和水混合情況的追蹤。

攪拌器旋轉產生的高剪切力能夠有效地促進乳化油和水的混合,而攪拌混合模擬的難點在于怎樣處理好運動的槳葉和靜止的壁面間的相互作用,就此很多專家學者提出了不同的解決方法,其中能最準確描述流場的方法為滑移網格法(SG)和多重參考系法(MRF)。由于運用MRF法與運用SG法得到的計算結果基本相同,但是在計算量上MRF法遠小于SG法,故本次研究采用MRF法進行模擬。攪拌槳葉和附近流體區域使用旋轉坐標系,其他區域使用靜止坐標系,在交界面上通過插值方式來實現兩個區域信息的匹配和交換,湍流模型采用標準的k-ε模型。

2.2 模擬參數和條件

乳化油和水混合采用兩相流,連續相為水相,離散相為乳化油ME25-5。該乳化油和水混合形成的乳化液粒子直徑在10 nm左右,屬于微乳液的范疇。Schulman和Prince提出加入助表面活性劑使得產生混合吸附形成微乳液,油水界面張力迅速降低達10-6～10-8N/m,故模擬時油水間的界面張力設置為10-6N/m。模擬計算中參數設置值見表1。

表1 模擬計算中參數設置值

乳化液濃度隨時間的變化屬于非穩態問題,本文模擬在非穩態下同時求解動量方程和體積比函數。加油點的位置為F1(600,-200,0),在此處加入3%的乳化油,即設置此區域乳化油的初始濃度為1,其他區域濃度為0。非穩態計算中時間步長的選取很重要,時間步長過大將導致計算不收斂,攪拌模擬過程時間步長一般選擇小于轉速倒數的1/10,本次模擬攪拌槳以轉速為120 r/min逆時針旋轉,因此為了計算的準確性,采用固定的時間步長為0.01 s。

3 計算結果與分析

3.1 湍流強度對比分析

湍流強度是判斷混合效果的重要指標,湍流強度等于速度波動的均方根與平均速度的比值。攪拌混合過程中,槳葉旋轉產生的高速液流通過低速或是靜止的流體時,在高低速流體交界面上的流體會受到強烈的剪切作用,進而會有大量漩渦生成。而湍流運動的本質正是流體的漩渦運動,漩渦向外擴散時,將更多的流體卷入高速流動的液流中的同時也使得局部范圍內的物料形成強烈的對流運動,因此攪拌湍流強度越大且越均勻,物料混合速率越快,混合效果也越好。3種攪拌器在不同的截面高度(y＝-450～450 mm,間隔50 mm)的加權平均湍流強度對比圖如圖3所示。

圖3 3種攪拌器截面湍流強度對比圖

由圖3可以看出,圓盤式四直葉渦輪攪拌器在槳葉及其以下的區域的湍流強度大于其他兩種攪拌器,而在槳葉以上的區域湍流強度小于其他兩種攪拌器。這主要是直葉槳的特性造成的,直葉槳攪拌形成徑向流,從槳葉徑向射出的液流碰撞到箱體壁面后,才能形成軸向的循環流動,而圓盤式45°渦輪攪拌器和開式45°渦輪攪拌器屬于混流式攪拌器,能同時形成軸向流和徑向流,即在徑向排出的同時形成軸向的循環流動。從圖3中可以看出,3種攪拌器中開式45°渦輪攪拌器各個截面在保持高湍流度的同時湍流強度的均勻性最好。

3.2 混合時間的對比分析

混合時間是指采用機械攪拌的方式把物理或化學性質不同的兩類液體進行均勻混合的時間,模擬計算時一般把目標相濃度與設定濃度C的誤差到達±5%以內的時間作為混合時間。選取位于槳葉上截面、槳葉面和槳葉下截面的乳化油濃度監測點坐標見表2,加油點設為F1對濃度場進行數值計算,得到各監測點的乳化油濃度變化曲線如圖4所示。

表2 監測點坐標

圖4 3種攪拌器監測點濃度變化曲線

從圖4(a)可以看出,圓盤式四直葉渦輪攪拌器槳葉上截面監測點的混合時間遠大于槳葉面和槳葉下截面,這主要是由于直葉槳為徑向流動,碰壁后形成軸向循環流動,而速度最小的循環中心的位置位于槳葉以上的區域。從圖4(b)和(c)可以看出,圓盤式45°渦輪攪拌器和開式45°渦輪攪拌器在槳葉面監測點的混合時間大于槳葉上、下截面,這主要是由于斜葉攪拌器為混合流動,在徑向流動的同時形成軸向流動,進而在碰壁之前就會形成整體的軸向循環,而速度最小的循環中心的位置位于槳葉附近的區域。從圖4可以看出,開式45°渦輪攪拌器整體的混合時間最少,這與前面討論的其湍流強度均勻性最好得到的結果相一致。監測點只能粗略地描述混合時間,通過對整體濃度場的監視能準確地確定混合時間。3種攪拌器混合完成濃度云圖如圖5所示。

圖5 3種攪拌器混合完成濃度云圖

3.3 單位體積混合能對比分析

乳化油和水混合均勻的整個過程常用單位體積混合能Wu來表示混合效率,它是單位體積攪拌功率Pu與混合時間t的乘積：

式中：Wu——單位體積混合能,kJ·m-3;

Pu——單位體積攪拌功率,W·m-3;

t——混合時間,s;

P——攪拌功率,W;

V——箱體有效體積,m3;

M——扭矩,N·m;

ω——角速度,rad/s;

N——轉速,rpm。

將模擬得到的扭矩和混合時間帶入上述公式,得到的3種攪拌器混合消耗見表3。

表3 3種攪拌器混合消耗

從表3可以看出,圓盤式四直葉渦輪攪拌器的單位體積攪拌功率和混合能遠大于圓盤式45°渦輪攪拌器和開式45°渦輪攪拌器的單位體積攪拌功率和混合能,而開式45°渦輪攪拌器的單位體積攪拌功率和混合能略小于圓盤式45°渦輪攪拌器。

4 結論

(1)混合過程中,圓盤式四直葉渦輪攪拌器的局部湍流強度大于開式45°渦輪攪拌器和圓盤式45°渦輪攪拌器。但從整體上看,開式45°渦輪攪拌器湍流強度的均勻性最好,圓盤四直葉渦輪攪拌器的湍流強度均勻性最差。

(2)通過對攪拌完成混合時間的監測可以看出,開式45°渦輪攪拌器的混合時間最短(77.55 s),圓盤式45°渦輪攪拌器次之(90.31 s),圓盤式四直葉渦輪攪拌器混合時間最長(139.07 s)。

(3)在乳化油與水混合均勻的過程中,開式45°渦輪攪拌器單位體積消耗的功率和混合能量最少,圓盤式四直葉渦輪攪拌器單位體積消耗的功率和混合能量最多。

通過分析可以得出,開式45°渦輪攪拌器在乳化液混合過程中相較于其他兩種攪拌器存在明顯優勢,在混合快速和均勻性好的同時大大減少了能量消耗,這正好滿足現今煤礦對乳化液配比快速性和準確性的要求,因此,乳化液配比應選用開式45°渦輪攪拌器進行混合。

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(責任編輯 路 強)

Selection and research on emulsion compounding agitator based on FLUENT

Yuan Jicheng,Wang Ranfeng,Gao Lizhi,Huang Guangping
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Aiming at the inaccuraey problem of concentration sensor caused by uneven emulsion and the hydraulic equipment trouble caused by emulsion with too high or too low concentration,the agitator that played a vital role in uniform mixing of emulsion was selected and studied.Based on FLUENT platform,the numerical simulation on mixing processes of three kinds of agitators in compounding device was carried out,which analyzed and obtained the better agitator type in emulsion mixing,and provide the basis for its design and selection in industrial application.

emulsion mixing,numerical simulation,turbine agitator,agitating effect

TD403

A

袁繼成(1996-),男,江西豐城人,太原理工大學礦業工程學院在讀研究生,主要研究方向為煤礦機械設備設計以及流體分析。