吳 青， 郝麗燕， 任京生

(1．北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048;2．首鋼工學院，北京 100144)

SL型靜態(tài)混合器的改進結構與兩相流分析

吳 青1， 郝麗燕2， 任京生2

(1．北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048;2．首鋼工學院，北京 100144)

提出了一種SL型靜態(tài)混合器的改進結構，對其內(nèi)部結構加以描述，并對其中兩相流的流動場進行分析．考慮實際裝置結構內(nèi)部兩相流流動狀態(tài)下參數(shù)之間的相互關系，對其進行理論研究．兩相流通過改進的靜態(tài)混合單元受到撞擊、形成分離、繞流以及融合，持續(xù)加強混合效果．通過對真實湍流流態(tài)所做的解析，可為進一步完善SL型靜態(tài)混合器的改進結構與參數(shù)的選擇及優(yōu)化提供依據(jù)．

靜態(tài)混合器;單元結構改進;兩相流分析

靜態(tài)混合器是先進的混合單元裝置．因其體積小、結構簡單、制造容易、安裝維護方便，特別是不需要動力驅動，在兩相流的混合與吸收操作中可以替代傳統(tǒng)的動力攪拌混合設備．其中SL型靜態(tài)混合器特別適宜食品行業(yè)的油脂加工，可用于處理黏度≤104P或伴有高聚合物介質的混合并同時進行傳熱、混合與傳熱反應的熱交換器，加熱或冷卻黏性產(chǎn)品等單元操作．

傳統(tǒng)的SL型靜態(tài)混合器結構簡單、成本低，與其它類型的靜態(tài)混合器相比，兩相流的流動能量損失?。捎谄鋯卧Y構內(nèi)部的葉片少、葉片間隔較大，因此混合效果會有所降低，需通過增加單元數(shù)量來彌補．為解決此問題，縮短混合器的長度，提高兩相流的混合效率，作者對傳統(tǒng)的SL型靜態(tài)混合器的單元結構加以改進．同時對工作時通道內(nèi)部的湍流混合狀態(tài)進行分析，以便能夠進一步確定和改進靜態(tài)混合單元組件、通道形狀以及相關結構，達到優(yōu)化設計的目的．

1 SL型靜態(tài)混合器的改進結構及流動狀態(tài)

1.1 SL型靜態(tài)混合器的改進結構特點

改進后的SL型靜態(tài)混合器是由多組改進的靜態(tài)混合單元構成(見圖1)，其單元內(nèi)部為幾層相互直立交叉的薄不銹鋼寬橫條葉片按X型規(guī)律排列疊摞焊接在一起填充在外管內(nèi)．同層橫條相互隔開相同距離且平行，橫條排列方向與管殼軸線呈45°，相鄰兩層橫條互呈90°．而在上下橫條之間焊有一根直不銹鋼圓棒(見圖2)．

圖1 SL改進型靜態(tài)混合器結構示意Fig．1 Structure of improved SL type static mixer

1.2 靜態(tài)混合器流道內(nèi)流體的流動狀態(tài)

兩相流沿軸向流進靜態(tài)混合單元后，按單元結構分為兩股流．對于同一層的液流，其中一股主流轉過45°進入葉片之間的通道形成無阻礙順流;另一股反方向拐45°，受到葉片阻擋，只能繞過葉片形成垂直平板繞流．兩葉片間隙之后的通道上下空間突然擴大，順流液通過后與相鄰液流形成垂直撞擊混合，隨后經(jīng)過的間隙通道又縮?。@流液在繞葉片時通道縮小，與相鄰液流形成垂直沖擊，隨后流道再擴大，成為波浪流．不論是順流還是繞流，在沿同方向通道至外管壁時受到阻擋，又撞擊轉向．由于靜態(tài)混合單元特殊的縱橫交錯結構，使得兩相流在流道中時而左旋時而右旋，不斷改變流動方向，不僅將中心液流沖向周邊，而且將周邊的流體推向中心，這種沿不同方向的撞擊、攪動，形成強烈的旋流徑向混合．兩相流進入下一混合單元時，方向突變，在空間轉一角度進入通道．其自身的旋轉作用在相鄰元件的連接處界面上亦會發(fā)生．經(jīng)過多組靜態(tài)混合單元，兩相流流出時實現(xiàn)了均勻混合．這種完善的徑向環(huán)流混合作用，使兩相流在管內(nèi)截面上的溫度梯度、速度梯度和質量梯度明顯減?。?/p>

圖2 SL改進型靜態(tài)混合單元組件結構Fig．2 Structure of improved SL type static mixing unit

2 靜態(tài)混合器中兩相流流態(tài)分析

SL型靜態(tài)混合器的改進結構中兩相流是復雜的三維湍流混合流態(tài)．為便于建模分析，在理論研究中要做一些必要簡化．可考慮將兩相液流分解為不同方向的順流與在空間連續(xù)擴大又縮小的旋流．

2.1 兩相流在靜態(tài)混合單元流道內(nèi)的流動分析

建立直角坐標系，在各部分結構分析中，分別以各自的相對坐標系，采用不同下標數(shù)字表示．

考慮兩相流在通道內(nèi)的空間湍流狀態(tài)，用Navier-Stokes方程表示為:

2.2 兩相流在靜態(tài)混合單元的順流分析

兩相流體沿外管軸線進入靜態(tài)混合單元后，沖到傾斜45°的葉片表面便分成順流與繞流兩股．假定兩相流在葉片表面一定距離之外的速度分布是均勻的．取兩相流進出口及壁面為系統(tǒng)，以通道中線與橫條片表面相交處建直角坐標系(x2、y2、z2)，x2軸垂直于葉片表面，y2軸平行葉片表面，外管軸線與x2軸夾角為α．其動量運輸量可表示為

式(2)中，u1為兩相流進入速度;u2為兩相流順流出口速度;u3為兩相流逆流終止處速度;A為過流面積．

式(2)中1，2為兩相流入口位置;3，4為兩相流順流出口位置;5，6為兩相流逆流終止位置;2，3與6，1 為壁面．

2.3 兩相流在靜態(tài)混合單元的繞流分析

兩相流在通過兩條葉片間隙后，流通面積突然擴大，隨后到達下一葉片，間隙又減小;而在繞過葉片時，流通面積減小，隨后又擴大，這都造成兩相流各流束之間的相互撞擊并形成旋渦．同時在經(jīng)過葉片間隙的不銹鋼直圓條時，形成圓柱繞流．

2.3.1 兩相流繞葉片的流態(tài)

兩相流繞葉片的z向流態(tài)可用復勢W(z)［1］表示為

公(3)式中的實部為速度勢Φ，虛部為流函數(shù)Ψ，θ為流線與流道方向的夾角．

液流繞過葉片邊角的流型以冪函數(shù)形式表示為

速度場表示為

兩相流以一定角度撞擊并繞過葉片，則n=1/2，對當量半徑r有

因兩相流繞葉片2π角流動，將其代入得

2.3.2 兩相流通過擴大流道的流態(tài)

1)流道突然擴大，兩相流中心流線沿流道軸向流動，其它流線則轉向，最外層流線幾乎沿垂直方向流動．建立相對直角坐標系，中心軸為x1軸，y1軸沿徑向．假定x1正向特征長度為x'1，中心流平均速度為ux，中心流脈動速度為u'x，y1正向特征長度為y'1，中心流平均速度為 υy，中心流脈動速度為 υ'y，而，連續(xù)性方程表示為

對于雷諾平均運動方程在y1方向的分量為

2)形成兩相流附面層，隨后又分離．其附面層方程變換后，附面層動量厚度δ為

式(9)中，l為附面層當量長度;u0為平均流速;y1c為變流區(qū)坐標;c1、c2、n均通過實驗來確定．

對于附面層脫離有

式(10)中，B為速度分布形狀系數(shù)．

2.3.3 兩相流通過縮小流道的流態(tài)

到達兩條葉片間隙后，流通面積突然減小，忽略間隙周圍空間液流對兩相流的影響，其速度分布方程為

式(11)中，L為流道x向長度;b為流道y向長度．

2.3.4 兩相流的圓柱繞流

對于遠離邊界的兩相流在繞不銹鋼圓柱時是做平面流動，可利用經(jīng)過變換后的冪級數(shù)表示．其勢流流速方程［2］為

式(12)中，rs為不銹鋼圓條直徑．

2.3.5 兩相流在流道終點的流態(tài)［3］

1)兩相流沿流道至管壁處即轉向成為反向渦流，其當量半徑為r0、角速度為ω1．

當 r≤r0，流場為 uθ=rω．

當 r＞r0，周圍流體被帶動，流速場為

2)兩相流以45°撞擊在內(nèi)管壁，產(chǎn)生分離并改變流動方向，其位勢流動速度分布為

式(13)中，U為x1方向速度分量;V為y1方向速度分量;a為常數(shù)．

2.3.6 兩相流的二次流旋渦

兩相流在靜態(tài)混合單元流道繞流的葉片和不銹鋼圓柱背面形成背面渦流，而在流道終點拐角處形成橫向二次流旋渦，流向均與主流旋轉方向相反．其流態(tài)可用渦量方程表示為:

3 結論

1)改進后的SL靜態(tài)混合器既保留了傳統(tǒng)SL型靜態(tài)混合器結構簡單、制造使用成本低、安裝維護方便、兩相流的流動能量損失小等優(yōu)點，又克服了傳統(tǒng)SL型靜態(tài)混合器單元結構內(nèi)部葉片少、葉片間隔較大、混合效果降低的缺點，可以提高單元操作中兩相流的混合效率．

2)對改進后的靜態(tài)混合單元葉片內(nèi)兩相流的流動進行初步分析．由于混合器單元內(nèi)部結構特殊，兩相流的流動狀態(tài)復雜，因此不同部位要建立不同的模型．下一步是在理論分析基礎上采用計算流體動力學求得數(shù)值解，并通過實驗確定和驗證．

3)通過對改進后的靜態(tài)混合器通道內(nèi)部的湍流混合狀態(tài)進行分析和研究，綜合各影響因素，運用正確的數(shù)學分析方法和計算機工具，可以為單元組件、通道形狀以及相關結構參數(shù)的合理選擇及特性優(yōu)化提供必要的參考依據(jù)．

［1］林建忠．流體力學［M］．北京:清華大學出版社，2005:200-203．

［2］章梓雄，董曾南．粘性流體力學［M］．北京:清華大學出版社，1998:167．

［3］Wu Qing．Study of gas-liquid two-phase flow in SV type static mixer［C］∥International Symposium on Fluid Machinery and Fluid Engineering．Beijing:1996，9:510-517．

［4］陳懋章．粘性流體動力學基礎［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［5］張兆順，崔桂香．流體力學［M］．2版．北京:清華大學出版社，2006．

［6］黃衛(wèi)星，李建明，肖澤儀．工程流體力學［M］．2版．北京:化學工業(yè)出版社，2009:226-228．

［7］陳卓如．工程流體力學［M］．2版．北京:高等教育出版社，2004:192-194．

［8］張春梅，吳劍華，王宗勇．SV型靜態(tài)混合器湍流阻力的初步研究［J］．化學工程，2009，37(1):19-23．

(責任編輯:檀彩蓮)

Improved Structure and Two-phase Flow Analysis for SL Type Static Mixer

WU Qing1， HAO Li-yan2， REN Jing-sheng2
(1．School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;2．Shougang Institute of Technology，Beijing 100144，China)

An improved structure of SL type static mixer was presented in this paper．The internal structure was described and two-phase flow field was analyzed．The comprehensive influencing factors were considered during analyzing the relationship of two-phase flowage parameters in practical device，and the theoretical study was carried out．The two-phase flow was impinged，separated，flowed around and merged by the two-phase flow．The mixture effect was strengthened．The analytic calculation was carried out according to the practicable turbulent flow pattern．The results are useful for the structure parameters effectively selection and the characteristic optimization for the improved structure of SL type static mixer．

static mixer，improved unit structure，two-phase flow analysis

TS223

A

1671-1513(2012)01-0062-04

2011-09-28

吳 青，男，副教授，主要從事流體工程、食品機械等方面的研究．