新型氣體驅動攪拌器的數值模擬和實驗研究

孟慶元 王長軍 羅立臣

（中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452）

0 引 言

攪拌器在石油、化工等行業應用廣泛，一般分為機械式與流體式。根據不同的應用場景和工況，會選取不同類型的攪拌器。機械攪拌器的工作原理是利用電機帶動攪拌軸旋轉向釜內介質輸入機械能從而達到攪拌目的。海洋石油平臺絕大部分采用機械式攪拌器，其優點是具有較大的攪拌能量、流體微團分散較好、溶解效果好，適用于中低黏度的流體混合；但是海洋石油平臺空間小，設備的安裝受到危險區域的影響，安全可靠性要求較高。

氣體攪拌是流體攪拌中最常見的一種形式，通過把氣體通入攪拌液內形成氣液混合物，由于氣體密度小且形成的氣泡向上運動，從而對液體進行攪拌。與機械攪拌相比，氣體攪拌具有運行穩定、結構簡單和能耗低等優點，但有時過高的氣速使傳質系數下降而不利于傳質。有些行業為了緩解單一形式攪拌器帶來的缺陷，采取使用氣體分布器通入氣體，并在機械攪拌的作用下加強氣液傳質效果。

近期，美國DERRICK 公司針對海洋泥漿混合系統研發了1 種化學混合罐，該混合罐中的攪拌器就是利用氣體推動攪拌器旋轉，達到機械攪拌和流體攪拌雙重效果。

本文探索新的攪拌形式，設計并提出一種以壓力氣體為動力的具有雙重特性的攪拌器，不僅氣體直接作用于介質進行氣體攪拌，而且氣體噴出后的反作用力也可推動槳葉轉動進行機械攪拌。為了進一步了解新型攪拌器的性能，文中利用CFD數值模擬和激光多普勒測速法（ Laser Doppler Velocimeter，LDV）對攪拌流場進行了測試驗證。

1 新型槳葉的結構、工作原理及優點

圖1所示是新型氣動攪拌器。其攪拌軸為空心通氣管，空心管上端固定于釜體上，不跟隨槳葉旋轉。空心管下端開有若干孔供氣體輸出，管外部套有一個“C”型圓環（內部結構見圖2）。

圖1 新型氣動攪拌器模型圖

圖2 槳葉內部剖面圖

“C”型圓環上連接著空心槳葉，葉片上設置有氣體分布孔。在“C”型圓環上下設置有限位板（見圖1），防止運行過程中上下移動，為減少限位板與圓環間的氣體泄漏和摩擦阻力，之間粘有帶自潤滑作用的墊片。

如圖1 所示，空氣壓縮機產生的氣體首先經由空心通氣管 (攪拌軸)輸入，然后經過通氣管下端的方孔進入“C”型圓環，最后進入與“C”型圓環相連接的槳葉，由槳葉上的氣孔排出。氣體排出后直接作用于介質進行攪拌，而產生的反推力推動槳葉轉動，最終達到氣體攪拌和機械攪拌的雙重作用。

新型攪拌器因為是氣體作為驅動力，所以只需要1 根氣管線與之連接，精簡了以往電機驅動攪拌器所需要的電纜、接線盒等附屬設備，更無需因為考慮危險區因素而提高設備的防爆等級。因為通氣管焊接在筒體上，采用靜密封結構取代以往攪拌軸的動密封結構，不僅有效精簡了設備結構、降低制造成本，而且氣體帶動攪拌器工作可以減少電機驅動所產生的熱量以及潤滑油泄漏和污染。

2 攪拌器流場的數值模擬

以攪拌釜中點為坐標原點建模，豎直方向為軸。模擬所采用的攪拌釜為平底圓柱筒，釜體內直徑為300 mm、液面高度300 mm，攪拌槳中心面位于釜體的幾何中心，模擬介質為水。

2.1 網格劃分

本文利用Gambit軟件進行建模。由于實驗模型結構不規則不利于劃分網格，建模時在不影響效果的前提下對葉片進行了簡化，采用多重考系法（Multi-Reference Frame，MRF）解決了靜止部件和轉動的攪拌槳之間的相對運動問題，整個計算域分為動區域和靜區域。槳葉及其附近流體區域設置為動區域，其他流體區域設置為靜區域。通過交界面（Interface）兩部分區域實現動量、能量的交換。網格劃分采用適應性較強的四面體非結構化網格，對動區域網格的劃分進行加密，分別生成約70萬個動網格和90萬個靜網格，見圖3。

圖3 網格劃分圖

2.2 模擬方法

計算采用Fluent軟件。本文主要研究了氣體和液體混合的二相流，且離散相為氣相容比較低的泡狀流，計算域分布較廣，所以選擇計算模型為Mixture模型。湍流模型選用標準模型，主相為水、第二相為空氣，流動狀態設置為非定常流動，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項的離散使用二階迎風差分格式，迭代時間步長為1 ms，設置殘差迭代到10時為收斂。設置邊界條件，基于前期試驗運行的基礎，設置動區域以60 r/min轉動，氣體出口設置為相對于槳葉面流速為15 m/s的速度出口，頂部液面為自由流動液面。

2.3 數值模擬結果分析

圖4為=0面的軸向速度圖，圖5為=0面放大后的軸向矢量速度圖。

圖4 軸向速度圖

圖5 軸向速度矢量圖

圖4中：槳葉以上區域除了靠近壁面小部分呈現黃色和紅色，其他大部分呈現濃綠色，槳葉斜上方不遠處有小部分的藍色；槳葉以下區域除了靠近壁面小部分和正對軸的下方呈現藍色，其他大部分呈現黃綠色，2個肋部黃色比較明顯。由圖譜對比可得出結論：槳葉以上的區域，靠近壁面區域的軸向速度高于其他區域的軸向速度；槳葉下方區域，靠近壁面和軸正下方的區域軸向速度不明顯，而2個肋部軸向速度最明顯。整體來看，槳葉下方的軸向速度優于槳葉上方的軸向速度，分析其原因是槳葉上方區域由于氣泡的螺旋上升和離散對流場的循環流動起到不定向的擾動。

觀察圖5整體的流場分布，槳葉所在平面主要以徑向流動為主，流動到壁面處分為向上和向下的2股流體，將顏色對照圖譜可知向上的流體速度高于向下流動的流體；槳葉下方呈現2個類似“C”型的流場，“C”型流場在靠近壁面處與徑向流向下的支流相遇、相互作用，速度相互抵消形成了低速的亂流，呈現出藍色。槳葉上方的流場主要是氣泡螺旋上升和離散所造成的湍流，方向沒有規律且速度較慢；而靠近壁面區域的淺黃色主要是徑向流向上的1股分流形成的，速度稍高于其他區域。

圖6是模擬條件完全相同的普通機械式攪拌器（45°折葉槳）=0面軸向速度模擬圖，圖7是與圖6對應的速度矢量圖。

圖6 軸向速度圖

對比圖6和圖4后發現，部分區域顏色有很大差別。圖6中的槳葉上方區域藍色部分較多，軸與槳葉的連接處藍色部分最明顯，軸向速度比圖4相同區域要差，但是靠近壁面區域黃色和紅色面積較大，軸向速度優于圖4相應區域。槳葉下方區域與圖4有很大的反差，大面積連續黃色和紅色區域聚集于軸下方，除靠近壁面小部分區域外，其他區域軸向速度良好。

圖5和圖7進行流場對比后發現，無氣孔的攪拌器呈現4個明顯的“O”型循環流場,高速區域集中在軸正下方，流場的連續性和規律性明顯。

圖7 軸向速度矢量圖

綜上觀察分析得出：從顏色上看，新型攪拌器的整體軸向速度分布沒有45°折葉攪拌器好，但是分別對比左側的圖譜可以發現：新型攪拌器軸向速度較高，并且新型攪拌器槳葉以上區域的速度分布比較均勻，在氣泡的攪拌作用下低速區較少，形成穩定的湍流，靠近壁面的高速區域小，防止高速流體集中在壁面區域影響攪拌效率；而在槳葉以下區域，新型攪拌器注重2個肋部的攪拌，攪拌作用范圍較廣，在氣泡的作用下流場略微不規律。

3 LDV 實驗測試

激光多普勒測速法（LDV）是一種針對流體速度的非接觸測量手段，具有不干擾流體流動、空間分辨率高、動態響應快和精度高等優點，使LDV系統在流體力學領域得到了廣泛應用。本實驗主要選取中心立面中的若干點，對新型攪拌裝置的軸向速度進行測量，并得出了相應區域流場分布和流動速度等實驗結果。

3.1 實驗過程

空氣壓縮機規格：公稱容積流量0.36 m/min，額定排氣壓力0.8 MPa，功率3 kW。將各個實驗裝置連接，空氣壓縮機運轉后將氣閥逐漸打開，直到攪拌器達到最高轉速的穩定狀態。此時，空壓機閥門全開，攪拌器速度為60 r/min，計算得到氣孔噴氣速度為15 m/s。

試驗主要研究槳葉以下區域的流動狀況，槳葉以上由于氣泡原因產生劇烈的湍流而未進行測試。實驗取點：水平方向從槳葉底部所在平面壁面開始每隔5 mm 取1 個點，總共取23 個點；豎直方向從槳葉底部所在平面開始每隔10 mm 取1 個面；總共23×10=230 個點，每個點測試40 s，取平均值并得出數據。

3.2 實驗數據處理

根據所得數據，本文選3 個面與相應的數值模擬導出數據對比，每個面從23 個數據中篩選10 個數據作圖。圖8 為槳葉下部10 mm 平面的對比圖，圖9 為槳葉下部50 mm 平面的對比圖，圖10 為槳葉下部90 mm 面的對比圖。圖中橫坐標為所測點距桶壁的距離，縱坐標為速度，正負代表方向，向上為正。紅色曲線代表實驗數據，黑色曲線代表數值模擬數據。

圖8 槳葉下部10 mm 液面的軸向速度

圖9 槳葉下部50 mm 液面的軸向速度

圖10 槳葉下部90 mm 液面的軸向速度

由圖8—圖10 可知：實驗數據得到的速度明顯要小于模擬速度，靠近壁面處實驗所得數據要比數值模擬得到的數據波動大。圖8 中，在距桶壁9 cm 處的點實驗所得數據對比模擬數據要先變為負方向；圖9 中，在距桶壁為3 cm 處的數據比模擬數據要先變為正方向；圖10 中，在距桶壁3 cm處的點同樣也是實驗數據首先變正，并且在距桶壁6 cm 處首先達到波峰。究其原因，主要是：

（1）數值模擬是在理想狀態下得到的數據。試驗中，攪拌器轉動連接處會有一定量的氣體漏出，影響氣孔出氣量進而使速度降低；試驗中，經過壓縮的氣體進入水中后，由于溫度降低、氣泡收縮，也會使速度降低。

（2）由于光射入不同介質以及有機玻璃曲率折射影響，使實驗的測試點發生偏移，造成數據偏差。

（3）由于試驗中的桶壁不光滑等因素，導致黏滯阻力較大，對靠近桶壁的流體流動有一定的干擾。

4 結 論

本研究利用 Fluent 軟件對新型攪拌器的攪拌特性進行數值模擬，獲得了桶內的流體流動和速度場分布，并與45°折葉槳進行模擬對比，最后利用LDV 實驗得出的數據對數值模擬結果進行了驗證，得出以下結論：

（1）氣體驅動攪拌器與傳統45°折葉槳對比，槳葉以上部分速度分布比較均勻，在氣體的攪拌作用下低速區較少，并且靠近壁面的高速區域小，能更好地防止因高速流體集中在壁面區域而影響攪拌效率。

（2）與45°折葉攪拌槳相比，氣體驅動攪拌器更注重2 個肋部的攪拌,攪拌范圍更大。

（3）由于一些不可避免因素的影響，導致實驗數據和數值模擬數據有一定誤差，但是流場趨勢基本相同。

綜上所述，本文對新型氣體驅動攪拌器進行初步分析研究、模擬和試驗，對攪拌器設備的更新換代具有一定的參考價值，然而在實際應用中可能還存在一些問題，將在今后的研究中不斷完善。