仇壽平

（山東省水利工程局有限公司，山東 濟(jì)南250014）

攪拌器是混凝工藝的最主要設(shè)備之一。由電動機(jī)三角帶傳動代動葉輪旋轉(zhuǎn)，將藥物和處理水充分混合均勻，是減少藥劑作用時間、強(qiáng)化藥物反應(yīng)質(zhì)量的必要設(shè)備。攪拌器的能耗和效率極大的影響著水處理產(chǎn)業(yè)的運(yùn)行和發(fā)展，具有其特殊的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 潛水?dāng)嚢杵鲬?yīng)用現(xiàn)狀

潛水?dāng)嚢杵饔址Q潛水推進(jìn)器主要組成包括潛水電機(jī)、密封機(jī)構(gòu)、葉輪、手搖卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、電氣控制等，其中葉輪是潛水?dāng)嚢杵鬟\(yùn)行過程中的核心部件，按照葉輪形態(tài)的不同可將潛水?dāng)嚢杵鞣殖砂祟悺?/p>

潛水?dāng)嚢杵鞯闹饕饔迷硎牵喝~輪在電機(jī)驅(qū)動下連續(xù)高速地旋轉(zhuǎn)，形成不同程度的湍流和體積流，在此過程中液體產(chǎn)生旋向射流，在沿著射流表面的剪切應(yīng)力的作用下，旋向體積流體之外的液體通過卷吸作用產(chǎn)生交叉混合現(xiàn)象。最終攪拌器效果受到多重因素影響，包括葉輪的大小、形狀、攪拌速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片間隙、葉片安放角、攪拌器安裝角度、有無導(dǎo)流殼等設(shè)備參數(shù)，以及流體的密度、粘度，池子的體積、形狀等外部環(huán)境因素。

在實(shí)際水處理工程應(yīng)用中，潛水?dāng)嚢杵鞯霓D(zhuǎn)速一般為100～1 500 r/min，葉輪直徑在900 mm以下。主要起到三方面作用：一是水力循環(huán)，尤其在污水生化處理中的厭氧池、缺氧池和氧化溝中應(yīng)用十分廣泛；二是提高傳氧效率，改變在好氧階段由曝氣頭釋放氣泡的路徑，提高傳氧效率，節(jié)省能耗；三是混合攪拌，使混合溶液或不同介質(zhì)強(qiáng)迫對流并均勻混合，最典型的就是其在凈水廠混凝沉淀階段的應(yīng)用，速度梯度遞減的攪拌器幫助混凝劑迅速混勻，發(fā)揮絮凝作用。

2 潛水?dāng)嚢杵餮芯窟M(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

1976年，瑞士ITT飛力公司推出了世界上第一臺潛水?dāng)嚢杵鳎?992年第一代污水處理攪拌器橫空出世。在實(shí)際的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，攪拌器的葉輪形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對攪拌效果產(chǎn)生重要影響。攪拌器攪拌槽內(nèi)兩相體系的數(shù)值水平起源于加拿大學(xué)者Anlie，這位學(xué)者結(jié)合單項(xiàng)流體的分區(qū)流動模型，認(rèn)為固體顆粒物運(yùn)動形式取決于局部流體速度、顆粒沉降速度和局部湍流強(qiáng)度。Nouri在全擋板的條件下，用PDA法（反相高效液相）測定了裝有Rushton渦輪槳的攪拌罐中固體顆粒的平均速度和均方速度，探究了固體顆粒尺寸和固體體積濃度等因素對攪拌罐中固體顆粒流速的影響。

20世紀(jì)80年代，第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)獲得普及，計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了一大批智能高效的模擬操作軟件，F(xiàn)luent、Turbogrid、Pro-E、ICEM、CFX等流體模擬軟件的使用大大提高了攪拌設(shè)備的研究效率，攪拌器的性能優(yōu)化和種類擴(kuò)充得到迅速發(fā)展。G.R.Kasat等利用Fluent軟件（流體、熱傳遞等復(fù)雜流體模擬軟件）建立了一種固-液反應(yīng)器的模型，對反應(yīng)器內(nèi)流相流場及反應(yīng)器內(nèi)的混合過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)良好的效果。Bennani利用CDF方法將攪拌器中靜態(tài)部分和旋轉(zhuǎn)部分拆分進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，推導(dǎo)出攪拌器中展現(xiàn)的流體力學(xué)特性。PF Van-SD Ghagare從技術(shù)、安全和環(huán)保角度對攪拌器發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性進(jìn)行詳細(xì)的分析。許多新型的攪拌器應(yīng)運(yùn)而生，如法國ROBIN公司的HPM槳，德國EKATO公司的INTERPRO槳，美國LIGHTHIN公司的A310、A315、A410和A6000系列槳，加拿大PROCHEM公司的MAXFLO軸流槳等都在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

相較國外，國內(nèi)對潛水?dāng)嚢杵餮芯康拈_展相對較晚。早期的潛水?dāng)嚢杵鞔蠖家揽窟M(jìn)口，大的企業(yè)選擇與國外的企業(yè)合資引進(jìn)對方的技術(shù)；另一些則是直接購買國外的產(chǎn)品，進(jìn)行測繪研究，通過逆向仿真技術(shù)建造產(chǎn)品。

2.2.1 以軟件為基礎(chǔ)的機(jī)理探究

20世紀(jì)90年代，南京藍(lán)深集團(tuán)公司率先進(jìn)行潛水?dāng)嚢杵饕?guī)模化生產(chǎn)，形成了一系列產(chǎn)品，但都基本不具有創(chuàng)新性。接近21世紀(jì)，國內(nèi)一些制造廠家采取與研究單位、高校合作的方式，將實(shí)際生產(chǎn)情況與軟件模擬開發(fā)相結(jié)合，潛水?dāng)嚢杵鞑耪嬲M(jìn)入快速發(fā)展階段。

四川工業(yè)學(xué)院的張禮達(dá)、陳維森于1997年進(jìn)行了軸流式葉片奇點(diǎn)分布法CAD軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)研究了軸流式葉輪的結(jié)構(gòu)表征。隨后周國忠等基于CFX軟件（內(nèi)部流動分析數(shù)據(jù)模擬）建立了混合過程模型，并借助于流體動力學(xué)的相關(guān)理論，對攪拌槽內(nèi)單層渦輪槳的混合過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明選取的流動場對流體混合過程的模擬結(jié)果有重要影響，觀測點(diǎn)及流體入口位置在一定程度上也會影響流體混合所需時間。徐偉幸等基于Fluent軟件建立了三維湍流的流場模型，對攪拌作用機(jī)理進(jìn)行深層探究，證明潛水?dāng)嚢杵魅~輪周圍液體會隨葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的射流，該射流中心區(qū)域速度快于周邊區(qū)域，射流以體積流的形式向外輸送液體。王振松等利用CFX軟件建立攪拌槽內(nèi)固液兩相流場的模型，采用了比較標(biāo)準(zhǔn)的I模型對清水以及固液兩相混合流場進(jìn)行對比分析研究，研究發(fā)現(xiàn)了攪拌槽內(nèi)混合流場的分布規(guī)律及該規(guī)律對槽內(nèi)混合顆粒的懸浮情況的影響，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。田飛通過對潛水?dāng)嚢杵鞯臄?shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)攪拌器導(dǎo)管的存在能有效削減反應(yīng)器的邊壁效應(yīng)。金建華對潛水?dāng)嚢杵鞯墓桃簝上嗔鬟M(jìn)行數(shù)值模擬，得出經(jīng)潛水?dāng)嚢杵鲾嚢韬蠊腆w顆粒的運(yùn)動和分布情況，為水處理工作的開展提供幫助。北京化工大學(xué)薛才紅等利用Fluent軟件，以攪拌功率為優(yōu)化對象，對比分析了兩減小密封腔內(nèi)流動死區(qū)面積、增大強(qiáng)制渦流區(qū)域面積。徐順等通過模型的建立，對攪拌器運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)——電機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片間隙、葉片安放角、攪拌器安裝角度、有無導(dǎo)流殼等進(jìn)行了詳細(xì)而全面的分析，得出最優(yōu)參數(shù)（轉(zhuǎn)速576 r/min、葉片間隙6 mm、葉片安放角度4°、攪拌器安裝角度45°、不設(shè)導(dǎo)流管），有助于研究工作的實(shí)際應(yīng)用。

2.2.2 以應(yīng)用為目的的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

除了對潛水?dāng)嚢杵鬟\(yùn)行參數(shù)和作用機(jī)理的有關(guān)探索，最近的攪拌器研究已經(jīng)逐漸向攪拌器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新領(lǐng)域延伸。

田飛等基于升力線理論，推導(dǎo)出潛水?dāng)嚢杵鬏S推力和電機(jī)功率的理論表達(dá)式，得出了攪拌功率和轉(zhuǎn)速的數(shù)量關(guān)系，并設(shè)計(jì)出優(yōu)化的潛水?dāng)嚢杵魅~輪。劉曉滿對潛水?dāng)嚢杵鬟M(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)了葉輪的安裝方式。劉永奇等通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)適時控制機(jī)泵及攪拌器電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)在輸出相同轉(zhuǎn)矩的同時電流減小，從而達(dá)到降低功率、減少功耗的目的。奚金平等研究了往復(fù)回轉(zhuǎn)攪拌機(jī)的攪拌原理、傳動結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特性、裝配精度，并采用儲能式飛輪結(jié)構(gòu)改善運(yùn)行狀況；改變了傳動結(jié)構(gòu)，由齒輪直接傳動改為帶傳動；選用高強(qiáng)度合金鋼材質(zhì)，克服零件磨損；采用T型傳動臂結(jié)構(gòu)聯(lián)接輸入軸和輸出軸，克服預(yù)緊力，有效地防止T型傳動臂對撥叉的撞擊。經(jīng)過改造的往復(fù)回轉(zhuǎn)攪拌機(jī)在生產(chǎn)中獲得良好應(yīng)用。張曉寧等根據(jù)前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在無擺動的潛水?dāng)嚢杵鞯幕A(chǔ)上增設(shè)了往復(fù)擺動的功能，使得潛水?dāng)嚢杵髟谶\(yùn)行中一定幅度擺動，擴(kuò)大了攪拌的影響范圍，提高了攪拌效果。廣州李學(xué)峰等設(shè)計(jì)了由若干個攪拌器模塊組成、可自由拆卸的模塊化攪拌器，可以滿足生產(chǎn)中的不同攪拌要求，具有一定實(shí)用優(yōu)勢。近年來國內(nèi)研發(fā)出一系列攪拌器，如北京化工大學(xué)的CBY型槳，華東理工大學(xué)的新型平直葉RAF翼型槳，江蘇石油化工學(xué)院JH型軸流式槳等。

3結(jié)語

潛水?dāng)嚢杵魇撬幚砉に囎铌P(guān)鍵的設(shè)備之一，其攪拌效率的提升對水處理優(yōu)化、成本控制和全行業(yè)發(fā)展都有著重要意義。對攪拌器的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行全面整理和總結(jié)具有重要的理論價值和工程運(yùn)用價值。

然而，在現(xiàn)階段攪拌器的研究過程中尚存在一些問題未得到解決。一是潛水?dāng)嚢杵鞯男D(zhuǎn)射流機(jī)理尚未完全了解；二是在軟件得到全面開發(fā)的今天，攪拌器從理論設(shè)計(jì)到方案優(yōu)化的全過程沒有形成統(tǒng)一、完善的算法架構(gòu)；三是現(xiàn)階段潛水?dāng)嚢杵鞯难芯扛嗑窒抻谑覂?nèi)軟件模擬，而真正涉及現(xiàn)場驗(yàn)證的研究少之又少；四是潛水?dāng)嚢杵餮邪l(fā)學(xué)科與使用學(xué)科脫軌，對諸如絮體形成的均方根梯度等的水處理知識涉及甚少，不利于研究成果在混凝工藝的推廣應(yīng)用。

這些問題等待更多科研人員和現(xiàn)場工作者去探索與推進(jìn)。在此過程中水利工程、能源動力、機(jī)械制造、軟件工程、環(huán)境工程等多學(xué)科領(lǐng)域的交流，將幫助我國更好的提升攪拌器制造水平，在不久的將來真正走向國際前沿。