楊鋒苓，張翠勛，李美婷

（1 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061； 2 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東大學(xué)），山東濟(jì)南250061；3山東大學(xué)機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東濟(jì)南250061； 4 山東天力能源股份有限公司，山東濟(jì)南250100）

引 言

攪拌是化工、食品、生物、制藥等過(guò)程工業(yè)中典型的單元操作之一。如今，隨著不可再生能源的日益枯竭，過(guò)程強(qiáng)化的必要性已是共識(shí)[1-2,3]，強(qiáng)化攪拌容器內(nèi)流體的混合效果成為研究的重點(diǎn)。為此，人們一方面注重發(fā)展高效節(jié)能、性能可靠的流體攪拌技術(shù)，例如混沌攪拌[4-6]，該技術(shù)被認(rèn)為是低、中Reynolds 數(shù)時(shí)流體高效混合的唯一有效途徑，尤其是變速攪拌[7]、偏心攪拌[8]、側(cè)入式攪拌[9]和往復(fù)式攪拌[10]，幾乎涉及攪拌的各個(gè)領(lǐng)域。另外，還著力開(kāi)發(fā)新型攪拌槳以應(yīng)用于不同的工業(yè)攪拌體系，例如Scaba槳[11]及其改進(jìn)槳型[12]、CBY 翼型槳[13]、柔性葉片槳[14-16]、剛?cè)峤M合槳[17-18]、“蝶型”槳[19]、分形槳[20]、柔性軸封槳[21-22]、各種不同改進(jìn)形式的Rushton 槳[23-28]等。作為攪拌設(shè)備的核心部件，攪拌槳提供攪拌過(guò)程中流體所需的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)流體高效和節(jié)能混合的重要途徑。

有關(guān)攪拌槳葉片結(jié)構(gòu)形式的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)Rushton槳每個(gè)平直槳葉的后方都存在一對(duì)尾渦，輸入到液體介質(zhì)內(nèi)部的大部分能量都耗散在攪拌槳附近區(qū)域，僅有少部分被用于攪拌容器內(nèi)部流體的混合[29-31]；而當(dāng)槳葉具有流線型結(jié)構(gòu)時(shí)，則能顯著提高流體的混合性能，降低攪拌功耗[32]。槳葉的流線型結(jié)構(gòu)可以通過(guò)機(jī)械加工的方式獲得，例如半圓管形、半橢圓管形、拋物線形等，但機(jī)械加工成本高，尤其是復(fù)雜線型的槳葉，而且槳葉形式固定，不能在攪拌過(guò)程中隨流場(chǎng)結(jié)構(gòu)做出適時(shí)的調(diào)整。另一方式是通過(guò)攪拌過(guò)程中流體載荷作用下攪拌槳的變形來(lái)獲得流線型槳葉，例如柔性葉片攪拌槳、剛?cè)峤M合攪拌槳等。

已有的實(shí)驗(yàn)研究表明，柔性葉片攪拌槳通過(guò)槳葉與流體的流固耦合作用，能誘發(fā)流體的混沌混合，高效地將能量傳遞到流體內(nèi)部，提高混合效率，而攪拌功耗則不增加[33-34]。與現(xiàn)有的混沌攪拌方式相比，柔性葉片攪拌槳不會(huì)增加設(shè)備操作的復(fù)雜性，只需采用常規(guī)的周期性旋轉(zhuǎn)方式即可通過(guò)柔性槳葉與被攪拌流體之間的耦合作用來(lái)誘發(fā)流體的混沌混合，強(qiáng)化混合效果。

本文在該系列第一部分關(guān)于柔性葉片Rushton槳功耗和流場(chǎng)特性研究的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試柔性槳的混合性能。意在通過(guò)與傳統(tǒng)Rushton 攪拌槳的對(duì)比，驗(yàn)證柔性Rushton 攪拌槳在提高流體混合效率方面的優(yōu)越性。

1 攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，攪拌槽為內(nèi)徑T=300 mm 的圓柱形無(wú)色透明有機(jī)玻璃槽，槽內(nèi)無(wú)擋板。流體介質(zhì)為水，溫度為常溫，密度ρ=998.2 kg·m-3，動(dòng)力黏度μ=0.001 Pa·s，液位高度H=T。攪拌槳為傳統(tǒng)剛性Rushton槳和柔性葉片Rushton槳，均逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直徑D=T/2，安裝高度C=H/3，槳葉寬度w=20 mm，長(zhǎng)度l1=50 mm。對(duì)于柔性槳，槳葉與圓盤連接段是剛性槳葉，材質(zhì)為不銹鋼，伸出圓盤部分的長(zhǎng)度為2.5 mm；外端是柔性槳葉，長(zhǎng)度l2=35 mm，材料為橡膠。槳葉及渦輪圓盤厚度δ=2 mm，圓盤直徑75 mm，攪拌軸直徑d=20 mm。

2 混合時(shí)間實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用丹麥Dantec Dynamics 公司的平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試設(shè)備（planar laser induced fluorescence,PLIF）測(cè)量柔性葉片Rushton 槳的混合性能，共測(cè)量了三種轉(zhuǎn)速N=0.5、2 和3.5 r·s-1時(shí)的混合情況，對(duì)應(yīng)的Reynolds 數(shù)依次為Re=ρND2/μ=11230、44919 和78608。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示，包括計(jì)算機(jī)、光源系統(tǒng)、控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)、圖片采集裝置(CCD 高速相機(jī))及Dynamics Studio V3.0圖像處理系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)用激光發(fā)射器為Nd：YAG 雙脈沖激光器，輸出波長(zhǎng)為532 nm 的綠色光束，并經(jīng)由柱面晶體將激光變?yōu)槠狻＜す饽芰孔畲鬄?200 mJ，頻率范圍1～15 Hz，具體脈沖時(shí)間間隔根據(jù)攪拌槳轉(zhuǎn)速的不同來(lái)設(shè)定。所用CCD 高速Nikon相機(jī)的分辨率為2048×2048。實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保證高速相機(jī)拍攝角度與激光照射平面相垂直。實(shí)驗(yàn)用示蹤劑為熒光劑羅丹明6G，激發(fā)波長(zhǎng)為525 nm，發(fā)射的波長(zhǎng)為560 nm，可用上述雙脈沖激光器激發(fā)。

圖1 攪拌槳及攪拌容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Impellers and stirred vessel

圖2 平面激光誘導(dǎo)熒光法實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of PLIF experimental set-up

2.2 熒光劑濃度標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)高速相機(jī)拍攝的熒光強(qiáng)度與濃度之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，作為后續(xù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析的基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定濃度值分別為0、20、40、60、80和100 μg/L，得到的標(biāo)定曲線如圖3 所示?？梢钥闯?，熒光強(qiáng)度與熒光劑的濃度c呈線性關(guān)系，證明激光強(qiáng)度的大小適合，可用該標(biāo)定曲線為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量并分析同等實(shí)驗(yàn)條件下的混合過(guò)程。在后續(xù)的混合性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)保持片光照射位置、激光強(qiáng)度、液位高度及加入熒光劑后的溶液濃度等與標(biāo)定時(shí)一致。

圖3 熒光劑濃度標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration of fluorescer concentration

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將與標(biāo)定濃度為100 μg·L-1時(shí)等量的熒光劑溶液沿圖4 所示P0點(diǎn)迅速倒入攪拌容器，并同時(shí)開(kāi)始采集熒光劑擴(kuò)散圖像，直至熒光劑完全分布在容器內(nèi)。后續(xù)分析時(shí)，給出了攪拌容器內(nèi)熒光劑濃度隨時(shí)間的擴(kuò)散圖，并提取了圖4 所示P1～P4四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的混合時(shí)間。關(guān)于混合時(shí)間的計(jì)算，采用的是國(guó)際上慣用的計(jì)算方法，即：監(jiān)測(cè)點(diǎn)處示蹤劑濃度達(dá)到完全混合時(shí)最終濃度的±95%范圍內(nèi)時(shí)所用的時(shí)間。根據(jù)熒光劑分布情況，由圖3 所示的標(biāo)定曲線就可以計(jì)算出混合時(shí)間值。

圖4 熒光劑加入點(diǎn)及濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖(單位：mm)Fig.4 Fluorescence adding and monitoring positions

3 結(jié)果與討論

3.1 熒光劑擴(kuò)散情況

本節(jié)研究熒光劑在剛性槳及柔性槳攪拌容器內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程，以便直觀地對(duì)比分析兩種槳的混合性能差異。

圖5 表明，在轉(zhuǎn)速N=0.5 r·s-1的條件下，t=1 s時(shí)，剛性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑擴(kuò)散區(qū)域較小，而柔性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑擴(kuò)散區(qū)域較大。t=2 s 時(shí)，柔性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑已初步分布在槳葉四周，而剛性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑僅分布在攪拌軸左側(cè)。t=3 s 時(shí)，柔性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑已擴(kuò)散到槳葉下方，而剛性槳在同等位置處到第4 秒才有熒光劑的分布。t=5 s 時(shí)，在攪拌槳上側(cè)，剛性槳攪拌容器內(nèi)的高亮區(qū)域比較集中，而柔性槳攪拌容器內(nèi)高亮區(qū)域比較分散，表明柔性槳更能促進(jìn)熒光劑的擴(kuò)散。t=5 s 后，剛性槳及柔性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑分布范圍逐漸接近，t=10 s 時(shí)分布情況基本相同。這表明在低轉(zhuǎn)速情況下，柔性槳作用下的熒光劑擴(kuò)散速度大于剛性攪拌槳作用的情況。

圖5 轉(zhuǎn)速N=0.5 r·s-1時(shí)熒光劑的擴(kuò)散過(guò)程Fig.5 Dispersion of fluorescence at speed N=0.5 r·s-1

由圖6 可看出，轉(zhuǎn)速N=2 r·s-1的條件下，t=1 s時(shí)，剛性槳及柔性槳攪拌容器內(nèi)，熒光劑擴(kuò)散區(qū)域均較小，但柔性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑擴(kuò)散區(qū)域相對(duì)較大。t=2 s 時(shí)，熒光劑在兩個(gè)攪拌容器內(nèi)均已擴(kuò)散到槳葉上方，相比之下，容器右上方區(qū)域內(nèi)，柔性槳攪拌時(shí)熒光劑的擴(kuò)散程度更明顯。t=3 s 時(shí)，熒光劑均已初步分布在槳葉周圍區(qū)域內(nèi)，其中柔性槳攪拌容器內(nèi)槳葉上方靠近攪拌軸的區(qū)域內(nèi)也有熒光劑分布。第4 秒之后，兩個(gè)容器內(nèi)的熒光劑分布范圍已逐漸接近，t=10 s 時(shí)，二者的分布情況基本相同。綜合熒光劑在攪拌容器內(nèi)的擴(kuò)散情況可知，在整個(gè)攪拌過(guò)程中，柔性槳和剛性槳均可使熒光劑快速地分布在槳葉四周，但是在前4 s內(nèi)柔性槳作用下熒光劑的擴(kuò)散速度大，其分布更靠近攪拌軸，軸向擴(kuò)散速度更快。

圖6 轉(zhuǎn)速N=2 r·s-1時(shí)熒光劑的擴(kuò)散過(guò)程Fig.6 Dispersion of fluorescence at speed N=2 r·s-1

轉(zhuǎn)速N=3.5 r·s-1時(shí)，熒光劑的擴(kuò)散情況如圖7所示?？梢钥闯觯S著轉(zhuǎn)速的增加，t=1 s 時(shí)，柔性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑的分布范圍明顯大于剛性槳攪拌容器，柔性槳已將熒光劑擴(kuò)散在攪拌軸兩側(cè)。t=2 s時(shí)，剛性槳攪拌容器內(nèi)熒光劑也基本分散在槳葉上方區(qū)域，但擴(kuò)散程度不如柔性攪拌槳。t=3 s 之后，兩個(gè)攪拌容器內(nèi)熒光劑分布范圍已逐漸接近，尤其是t=10 s 時(shí)，二者的熒光劑分布情況基本相同，可認(rèn)為混合已基本完成。綜合熒光劑在10 s內(nèi)的擴(kuò)散情況可以得出，在整個(gè)攪拌過(guò)程中，兩種槳都可以使熒光劑溶液比較快速地分布在槳葉四周，但是在短時(shí)間內(nèi)（前3 s），柔性槳的分散速度快于剛性槳。

綜上對(duì)不同轉(zhuǎn)速時(shí)攪拌容器內(nèi)熒光劑的擴(kuò)散過(guò)程分析可知，以水為攪拌介質(zhì)的情況下，相比剛性槳而言，柔性槳具有更好的混合性能，尤其是在混合的初始階段，混合均勻程度及混合速度均有一定的優(yōu)勢(shì)。

3.2 宏觀混合時(shí)間

圖7 轉(zhuǎn)速N=3.5 r·s-1時(shí)熒光劑的擴(kuò)散過(guò)程Fig.7 Dispersion of fluorescence at speed N=3.5 r·s-1

由平光激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)得的三種不同轉(zhuǎn)速時(shí)剛性槳及柔性槳在四個(gè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的宏觀混合時(shí)間如表1 所示。分析可知，隨著攪拌槳轉(zhuǎn)速的增加，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)處剛性槳和柔性槳的宏觀混合時(shí)間均逐漸變小。就數(shù)值而言，對(duì)于剛性槳和柔性槳，宏觀混合時(shí)間最大值分別為12.5 s 和11.0 s，均發(fā)生在轉(zhuǎn)速N=0.5 r·s-1時(shí)攪拌容器底部區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處；兩種槳宏觀混合時(shí)間最小值依次為2.0 s 和1.5 s，此時(shí)攪拌槳轉(zhuǎn)速為N=3.5 r·s-1，位于攪拌槳葉端部附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2處。這表明攪拌槳附近區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的宏觀混合時(shí)間較短，遠(yuǎn)離攪拌槳處宏觀混合時(shí)間較長(zhǎng)。上述結(jié)論與已知的宏觀混合時(shí)間隨攪拌槳的轉(zhuǎn)速和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律是一致的。

表1還列出了剛性槳和柔性槳在三種不同轉(zhuǎn)速下四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處宏觀混合時(shí)間的算術(shù)平均值。對(duì)比可知，相同轉(zhuǎn)速時(shí)柔性槳的混合時(shí)間較短，N=0.5、2 和3.5 r·s-1三種轉(zhuǎn)速時(shí)，柔性槳比剛性槳的平均混合時(shí)間依次縮短了7.8%、29.4%和23.3%。該結(jié)果表明，柔性槳更有利于提高流體混合效率，尤其是較高轉(zhuǎn)速時(shí)更是如此。

表1 宏觀混合時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Table 1 Experimentally determined mixing time

4 結(jié)論

以水為介質(zhì)，對(duì)柔性葉片Rushton 攪拌槳在湍流狀態(tài)下的混合性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，并與標(biāo)準(zhǔn)Rushton攪拌槳進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論。

(1)采用羅丹明6G 作為平面激光誘導(dǎo)熒光法的熒光劑時(shí)，在合適強(qiáng)度的激光照射作用下，熒光強(qiáng)度與熒光劑濃度呈線性關(guān)系，可利用據(jù)此得到的標(biāo)定曲線表征攪拌容器內(nèi)流體的混合時(shí)間。

(2)不同轉(zhuǎn)速時(shí)熒光劑擴(kuò)散過(guò)程的研究表明，相對(duì)于剛性槳而言，柔性槳能更快地將熒光劑分散在攪拌容器內(nèi)，尤其是在混合過(guò)程初始階段。此外，柔性槳在提高混合均勻程度方面也有一定的優(yōu)勢(shì)。

(3) 對(duì)宏觀混合時(shí)間的分析表明，與剛性槳相比，相同工況時(shí)柔性槳有助于縮短宏觀混合時(shí)間。以轉(zhuǎn)速N=2 r·s-1為例，柔性槳的平均宏觀混合時(shí)間比剛性槳減少了約29.4%，具有更高的混合效率。

符 號(hào) 說(shuō) 明

C——槳葉離槽底高度，m

c——示蹤劑濃度，μg·L-1

D——攪拌槳直徑，m

d——攪拌軸，m

H——液位高度，m

l——槳葉長(zhǎng)度，m

N——轉(zhuǎn)速，r·s-1

Re——Reynolds數(shù)

T——攪拌容器直徑，m

t——混合時(shí)間，s

w——槳葉寬度，m

δ——槳葉及渦輪圓盤厚度，m

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3