多旋静态混合器强化对流传质场协同分析_孟辉波

网络出版时间：2014-11-27 11:26

网络出版地址：http://wendang.chazidian.com/kcms/doi/10.3969/j.issn.1006-7043.201310058.html

第36卷第2期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.36 No.2 2015年2月 Journal of Harbin Engineering University Feb. 2015

多旋静态混合器强化对流传质场协同分析

孟辉波1,2，王 丰1，禹言芳1,2，宋明远1，吴剑华1,2

（1.沈阳化工大学 辽宁省高效化工混合技术重点实验室，辽宁 沈阳 110142；2.天津大学 化工学院，天津

300072）

摘 要：为了研究静态混合器强化高粘流体混沌对流传质机理，通过积分中值角定量评价雷诺数和混合构件结构诺数的增加而降低；当Re>17.8FKSM构件较KSM提高速度场与压力场的协同程度达5.9%~11.9%最大概率对应的协同角数值比KSM高2.3%~3.5% 关键词：静态混合器；强化传质；场协同；协同角 Doi：10.3969/j.issn.1006-7043.201310058

中图分类号：TQ 051.7 文献标志码：A

MENG Huibo1,2，W，SONG Mingyuan1，WU Jianhua1,2

Abstract：In order to chaotic mass transfer mechanism of high-viscosity fluid, the integral mean ReRe>17.8. FKSM can synergy angles of FKSM corresponding to the greatest probability are 2.3%~3.5% higher than KSM. The transition parts of two mixing elements have higher synergy angles for the division of leaves.

Keywords：static mixer; mass transfer enhancement; field synergy; synergy angle

以动量传递、热量传递和质量传递为主要特征的单元操作广泛存在于各种化工生产过程中，提高传收稿日期：2013-10-19.

基金项目：国家自然科学基金项目（21476142, 21306115, 21106086）；辽

宁省高等学校优秀人才计划项目（LJQ2012035）；辽宁省博士启动资金项目（20131090）；辽宁省教育厅科研项目计划（L2013164）

作者简介：孟辉波(1981-)，男，副教授； 禹言芳(1979-),女，副教授.

通信作者：禹言芳，E-mail：taroyy@http://wendang.chazidian.com.

递过程中“三传”的效率一直是化工过程强化领域研究的重点之一[1–4]。充分利用传递过程中消耗的能量，降低能量损失是强化过程混合的重要途径[5–6]。过增元[7]首次提出场协同理论揭示了热量运输物理机制。韩光泽等[8]提出了广义场协同理论，即自然界中也存在场协同效果。Chen等[9]提出了质量积和质量积耗散的概念。周俊杰等[10]利用场协同的5种评价方式定性定量评价空调器表面各场之间协同关

2 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第36卷

系。通过场协同理论可以了解各种内场和外场之间相互作用机理，从而为降低混合过程阻力，强化对流传质过程提供理论基础[11]。

作为一种新型高效的化工过程强化设备，静态混合器的压力波动特性[12–14]，传热特性[15]，混沌混合特性[16–17]及流动特性[18]得到了广泛地关注，并在大宗化工生产过程中得到广泛应用[19]。静态混合器在强化高粘度流体间的分布混合与分散混合方面表现出卓越的性能[20]，而对其强化传质机理的研究不够深入。因此，本文研究高粘度流体在静态混合器内的流动行为，分析其内部对流传质中速度场与压力场的协同程度，对比5种协同角在评价静态混合器内整体场协同效果的差异，通过积分中值协同角定量评价雷诺数和混合构件结构对静态混合器内场协同程度的影响。

率均不超过0.78，等角度斜率平均值范围为0.356~0.364，可见网格质量较好。模拟中所用高粘流体的密度为1200 kg·m-3，动力粘度为0.5 N·s·m-2。

KSM:

DKSM:

TKSM:

FKSM:

1 理论基础与数值模拟

1.1. 场协同理论

体流动的动能方程可以简化为：

'

D 1 1 pjiui1 pu 1） uu

Dt 2ii j xi

0 （3）

ρφ div ρuφ div Γgradφ S （4） u为速度矢量，φ表示某个变量，Γ是扩散系数，S是源项。

考虑到入口流体速度分布对静态混合器流场的影响[22]，同时为减少网格数目和提高计算效率与准确度，本次模拟利用ANASYS Fluent进行，通过自定义函数UDF（user defined function）定义抛物面速度入口。流体出口定义为自由流动出口，压力参考点选为出口截面的中心处，压力和速度耦合采用SIMPLEC算法，压力离散采用标准形式，动量离散采用二阶迎风格式。在计算流体力学中，压力较速度、浓度对扰动更为敏感[23]，而前期研究成果已验证基于压降CFD模型的有效性[22]。

Np u p||p|

上式中，θcosθ越

趋向于-1，即θ

[10]来评价静态混合器内速度场和压力场协同程度。 1.2. 物理模型

本文所采用的单管多旋静态混合器[21]的几何结构如图1所示，元件长径比为2，其具体模型尺寸参照文献[22]。叶片的四种排列方式对应的轴截面内分别包含着1~4个螺旋叶片，分别记作单旋（KSM），二旋（DKSM），三旋（TKSM）和四旋静态混合器（FKSM），其相邻轴向两组构件分别错开90°、90°、60°和45°。相同长度的圆管内分别包含6组KSM混合元件，12组多旋混合元件。

将每个数值模型在Gambit中进行非结构化网格划分，经网格质量检查，所有网格的最大等尺寸斜

2 结果与讨论

2.1 速度场和压力场

选取KSM轴向位置第3个叶片以及多旋第5组叶片为研究对象，提取叶片轴向中心处对应的轴截面的压力云图和速度矢量图进行分析。从图2可以看出，在叶片的同一侧存在一个由低压和高压组成的压力梯度区，这使得截面内产生较强的径向二

第2期 孟辉波，等：多旋静态混合器强化对流传质场协同分析 3

次流提高了协同程度和传质效果。随着同一截面内叶片个数n的增加，压力峰值区的个数呈2n的规律线性增加，致使二次流涡核数成倍增多，截面内的对流传质效果提高。

pressure

pressure

同角随雷诺数的变化，所有静态混合器对应的积分中值角随雷诺数的增加均呈现出下降的趋势；在低雷诺数下，积分中值角由高到低依次为FKSM，TKSM，KSM和DKSM；当Re>17.8时，DKSM对应的积分中值角开始高于KSM，多旋静态混合器内2.2

其余Re度场的协同程度要明显好于DKSM和TKSM。

图3 雷诺数对5种计算方式的协同角的影响 Fig.3 Re influence on synergy angles for five computational

methods

图4为每种静态混合器内压力场与速度场的协

3

2.4 协同角沿轴向位置变化

图6为Re=10时各个混合器截面内平均协同角随截面轴向位置的变化曲线。从图中可以看出，每种静态混合器在相邻元件的交界处协同角均存在一

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个较窄的峰值区，这是由于上游流体被元件切割分流后在下游元件入口处相互撞击和掺混，形成大量的漩涡，强化了流体间的分散混合。流体在经过每个单旋叶片时，中间部分两场的协同角围绕某一个值上下波动，而在经过每组多旋叶片时，随着叶片轴向位置的增加，协同角先增加后减小，在叶片中间处存在一个极大值，尽管多旋静态混合器中二场的协同性不稳定，但从方框中的平均值看来，TKSM和FKSM平均协同角却比较大，并且当截面内叶片个数大于2时，协同角会随着同一截面内布置的叶片个数的增加而增大。因为在层流状态下，流场结

/

(z-li)/l

2.5 协同角集中分布于数值较大的区域。随着截面内螺值区，在压力梯度的作用下，横截面内围绕螺旋叶旋叶片排列个数的增加，概率密度曲线变得越来越片形成了较为明显的二次流漩涡；增大速度矢量与窄，表明协同角的分布越来越集中；KSM，DKSM，压力梯度的夹角，有利于提高压力做功的效率，从TKSM和FKSM概率密度曲线峰值对应的积分中值而提高传质效率。 角分别为152.7°，152.6°，156.2°和158.1°，说明当2）矢量模平均角，积分中值角，体积加权平均截面内叶片个数大于2时，随着叶片个数的增加曲角，算术平均角能够较好的预测协同角随雷诺数的线有向协同角大的方向移动的趋势，表明FKSM与变化；4种静态混合器的协同角均随雷诺数的增加而TKSM可以很好的改善压力场与速度场的协同程下降，当Re>17.8时，多旋静态混合器的协同角普度。 遍高于KSM。

3）旋流叶片对流体的切割分流致使混合组件轴向过渡处会出现较窄的协同角的峰值区，单旋叶片中间部分两场的协同角围绕某一个值上下波动，而

第2期 孟辉波，等：多旋静态混合器强化对流传质场协同分析 5 in the kenics static mixer[J]. International Journal of 对于多旋叶片，协同角会随着叶片轴向位置的增加，

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