混合強化技術在噴氣燃料在線添加防冰劑中的應用展望

魏一方，雷玉瑩

1.海軍研究院特種勤務研究所，北京，102400，2.海裝駐上海地區第八軍事代表室，上海，200001

0 引言

液液混合技術在精細化工、冶金工業、制藥工業、環保工業、生物工程等領域均有著廣泛應用。兩種或多種液體通過混合，改變原有的物理或化學性質，以滿足生產和使用需要。隨著現代工業的發展和生產工藝的進步，液液混合技術也得到了長足的發展，根據不同的應用場景和應用領域，目前常用的強化混合方法有攪拌混合、噴射流混合、撞擊流混合、靜態混合、動態混合等。特別是近些年計算機流體力學和人工智能的應用，使液液混合過程的研究更加直觀和有說服力。本文針對多種強化混合技術在研究方面取得的成果進行綜述，分析各種技術的特點，對如何在噴氣燃料在線添加防冰劑過程中應用流體強化混合技術，提出自己的建議，為下一步的計算機仿真分析及工業化應用打下基礎。

1 液液混合機理

液液混合過程主要依賴于層流混合和湍流混合。粘度較大的液體間的混合一般是通常為層流混合，實際工業生產中涉及的液體物料粘度大多比較低，在混合過程中多通過湍流混合實現。湍流的混合機理相對層流更為復雜，當兩束液體混合時，可根據渦旋的大小分為宏觀混合、介觀混合和微觀混合，從運動方式上看，可對應為主體對流、渦旋運動和分子擴散。流體在湍流的拉伸、剪切作用下，通過互換位置進行物質傳遞，三種混合隨著渦旋的變形、分割依次進行，但在一定程度上也是在同時進行，直到渦旋微團尺寸足夠小時，分子間的擴散使混合物在分子水平上達到高度的均一性[1]。依據Fick定律t～d2/D，兩種混合流體處于同一通道內時，由于分子擴散的路徑被大大縮短，依靠分子自身的擴散就可以實現快速均勻的混合[2]。而渦旋形成的時間一般大于分子擴散需要的時間，所以渦旋形成的快慢一般決定了混合的效率。

2 強化混合技術

2.1 攪拌混合技術

傳統攪拌混合方式分為機械攪拌和氣流攪拌，氣流攪拌由于攪拌能力較弱，通常只應用于低粘度物料攪拌混合。在工業生產中主要采用機械攪拌的方法，約有85%的液液混合是通過機械攪拌的方式完成，機械攪拌設備主要由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌釜設計屬于非標準設計，在攪拌釜機械設計和工業設計方面，趙述芳[3]等人采用平面激光誘導熒光技術對姜黃納米顆粒制備過程中的使用的攪拌釜的尺寸、攪拌形式、攪拌轉速等因素進行深入研究，劉凱[4]利用CFD技術證明了六折葉攪拌槳攪拌效果明顯優于六直葉攪拌槳，李冰[5]等人探究了剛柔組合的攪拌槳葉結構變化對攪拌效果的影響，張曉雨[6]等人對六斜葉、六直葉、Rushton渦輪進行數值模擬研究，蔣宇健[7]通過數值模擬方法研究了攪拌槳距變化對攪拌效果的影響。劉昭良等[8]人研究了雙旋渦輪葉片數、葉片及中心軸開孔等因素對混合過程中流場的影響Zhuan[9]、Li[10]等人設計了新型雙旋流攪拌器和十字環面槳式混合器，并進行了數值模擬。對于攪拌過程中的流體運動方面，陶保林[11]、楊義[12]、熊仲營[13]、Hadane[14]等通過計算流體技術模擬了磷酸攪拌過程中固-液兩相流場特點、固體顆粒分散方式、攪拌功率等，賈慧靈[15]等通過仿真研究了錐盤底固液混合時的液體濃度場分布，李希銘[16]等人在顆粒動力學理論基礎上模擬了帶檔板的圓盤渦輪槳式攪拌器內的固液流動。除此之外，趙洋[17]對新型攪拌技術中的氣流攪拌進行了探索。攪拌混合技術經過長期發展在工藝上有很大的改進，但自身依然存在軸封泄露、混合死區、混合均勻度不夠、不能連續化生產等問題。

2.2 噴射流混合技術

射流混合技術最早由Fossett和Prosser[18]提出，經過70多年的發展，已成為工業生產中液液混合的常用技術之一，實現方式是通過噴射器將一種液體流以一定角度高速噴射到另一種相對流速較慢的流體中進入混合室，由于兩種液體間的速度和壓力差，兩種液體進行質量、動量及能量交換，實現液液混合，隨后混合流隨主流體一同流動實現混合。目前隨著現代計算流體技術發展，國內外學者對射流噴射混合技術開展了大量研究，主要集中在噴射器設計，結構優化、射流混合時間。陶海[19]等人通過設計的強化輻射床式環流噴射反應器，運用二維粒子圖像測速系統研究了噴射器內的流場結構、流體的速度、動能、渦量等參數，考察了噴射器出口結構對反應器流體性能的影響。林柯利[20]等采用平面激光誘導熒光技術研究了噴射流混合過程中不同操作條件對混合效果的影響，畢榮山[21]等建立了液液宏觀混合和微觀混合模型，對噴射器的結構參數進行了研究，利用兩環境矩直接積分模型，研究了噴射器內液液平行-競爭反應體系。Coldrey[22]的研究表明射流通過側面斜入射能夠減少混合時間，并證明了混合時間與噴射口的射流雷諾數無關。Patwardhan[23]等用電導法研究了噴嘴直徑、噴嘴處入射速度及角度等對射流攪拌混合時間的影響。Wang[24]等設計了新型同軸相對射流混合器，通過數值模擬的方法研究了其內部的流體流動及混合特性。Manjula[25]等用電導法研究了兩個射流噴嘴存在同時噴射的情況下，噴嘴的相對位置和角度與混合時間的關系。Zughbi等[26]對混合過程中不同射流位置分布進行研究，射流攪拌槽內射流。利用實驗和數值模擬方法驗證了非對稱射流在混合效果方面比對稱射流更好。射流混合技術由于需要將液體進行高速噴射，在能量消耗方面較大，在大流量液體噴射時的混合噴射效率會影響到混合時間，同時在遠程控制方面其反應速度會明顯低于電路中的電子器件，并且容易堵塞，所以應用場景具有一定的局限性。

2.3 靜態混合技術

靜態混合器主要依靠自身的流動實現液液混合，如今在工業化生產方面也應用十分廣泛，可滿足多種不同相流體之間的混合。主要混合思想是“分割-位移-匯合”，在位移、變形過程中出現湍流時，斷面還會出現強烈的渦流，對流體進行分割，進而實現充分混合。靜態混合器最早出現在20世紀70年代，國外開始出現Kenics、Sulzer、Ross、Hi等型號靜態混合器，從80年代開始，我國開始研發并于90年代制定出標準的SK型、SV型、SX型、SH型、SL型5種類型的混合器。其中應用最廣泛的是SK、SV型，SK型更是工業界認可的標準靜態混合器。目前，對靜態混合器中液液分散的研究主要集中在分散混合性能方面。龔斌等[27]、張春梅等[28]等通過實驗研究，計算了靜態混合器中流體在層流流動狀態和湍流流動狀態下受到的阻力，并擬合出流體阻力理論計算方程。王修剛[29]、Jianhua W[30]等通過實驗數值模擬的方法研究了靜態混合器中液液在層流和湍流狀況下的分散過程。高祖昌[31]等設計了四旋混合器，從結構上對SK型靜態混合器進行了優化，提升了混合效果。趙建華[32]等利用粒子映像測速（PIV）技術測量了靜態混合器出口處的流場分布,同時與計算流體力學計算結果進行了比較，張鴻雁[33]等通過大渦旋模擬方法對比了3種具有不同內部結構的靜態混合起的混合效果，研究了混合過程中流場和濃度場分布，李治建[34]等設計了一種靜態混合裝置，通過Polyflow對SK、SX型靜態混合器中聚乳酸熔體的流量壓降、溫度場分布、混合場粒子軌跡、剪切速率、剪切應力等進行研究，研究了混合原件數量對混合性能的影響。王宗勇[35]等通過研究多流道螺旋混合器在層流狀態下的液體混合特性和混合效果，發現通道的增加能夠提高管道中流體的混合均勻程度。張呂鴻[36]等將SX型和SK 型混合器二者結合設計出一種新型混合器，通過高黏度液體混合實驗驗證了該混合器的性能，能夠很好的滿足工業混合應用要求。谷王[37]對傳統SK 型靜態混合器進行了改良，在混合器內部螺旋片上增加了縫隙，實驗證明縫隙能夠增加流體在軸向和徑向方向的混合，提高了混合效率并降低耗能，具有一定應用價值。靜態混合器具有設備簡單、維護費用低、耗能少等特點，但也存在著內部結構復雜，在有固體產物產生時，容易造成堵塞，清理困難的問題。

2.4 動態混合技術

動態混合是指在混合過程中，流體和混合部件都處在相對運動的狀態。動態混合器一般是在殼體或管道內安裝運動部件，相比于靜態混合器，動態混合部件由于其本身的運動，會對其中的流體進行更頻繁的切割、分流、擠壓等作用，使流體的流動情況更加復雜，達到液液快速混合效果，特別是對高粘度物料的混合效果更好。動態混合器的設計沒有固定形式，所以目前大多數研究集中在不同類型運動部件設計及混合效果的研究。劉嬌[38]在組合轉子強化傳熱理論基礎上，對混合器轉子排列方式進行了優化設計，模擬仿真研究了低流阻和螺旋階梯轉子的最佳組合方式，討論了轉子偏心程度對混合特性的影響。張文強[39]研究了球穴交錯排列結構混合部件在熔體直紡中的應用，模擬仿真了動態混合過程中的壓力場和溫度場變化，楊優生[40]通過實驗研究了固液混合中過程中隨動式動態混合器的混合特性，對不同結構轉子、不同流體流速、不同兩相流交匯方式對混合效果的影響進行了分析。彭世金[41]等設計了一種新型動態混合器，通過實驗仿真驗證了其中的主動旋轉葉輪在動態混合過程中會使流體產生更加復雜的流動和渦旋，相對于傳統混合器具有更好的混合效果。鄭勐[42]等設計出一種帶有16個旋轉葉片的動態混合轉子，用于混合澆筑行業的動態混合器，通過實驗證明該混合器在混合環氧樹脂與甲基納迪克酸酐溶液中有很好的混合效果。動態混合器以其優秀的混合效率與混合效果成為未來研究的熱點，但動態混合器現在還缺乏相應的標準規范，在標準化應用方面還需要進一步探索，同時其內部的復雜結構也導致了其制作成本相對較高。

3 噴氣燃料防冰劑添加現狀

噴氣燃料中的防冰劑通過結合燃料中的水分，防止在低溫環境下燃料中水分析出結成冰晶，堵塞飛機燃料系統，避免安全事故的發生。然而在噴氣燃料運輸、存儲、使用過程中，難免會從環境中吸入一定的水分，水含量的增加會中和噴氣燃料中的防冰劑，導致其含量低于標準要求，降低油料的品質。當噴氣燃料中防冰劑含量不達標時，需進行一定比例的補加。

目前防冰劑補加的方法主要是針對儲存罐中的噴氣燃料進行離線補加，一種方法是在流動噴氣燃料中直接接入對應比例的防冰劑，依靠液體的流動和循環完成混合，另一種是首先將防冰劑和部分噴氣燃料通過攪拌形成母液，再通過接入噴氣燃料管道中進行循環，最終完成混合。未來為實現噴氣燃料防冰劑在線加注技術，必須要解決傳統補加混合方式中遇到的混合效率低、混合效果較差、混合時間較長的問題。

4 展望

根據強化混合技術的研究現狀，未來研究可選擇多種強化混合技術結合的方式來提升噴氣燃料與防冰劑的混合特性。防冰劑在噴氣燃料中的含量要求一般控制在0.1%～0.2%之間，可以看出需混合的兩種液體的量相差較大，首先可選擇射流混合技術，將防冰劑噴射到一定量的噴氣燃料之中形成母液，完成防冰劑在母液中的初次混合，隨后利用動態混合器，將噴氣燃料母液與主管道相連，實現噴氣燃料與防冰劑的再次混合，這樣通過兩次強化混合可以使防冰劑分子更快地擴散到噴氣燃料中，提高混合質量。在整體研究過程中應通過計算流體力學仿真的方法，充分研究噴射流和動態混合過程中混合流的流場、溫度場等，通過對噴射器、動態混合轉子進行結構設計，調整和優化混合過程中各有關參數實現裝置混合特性的提升。