SK 型静态混合器内流体流动与传热数值模拟

2013-08-14闫媛媛

化工技术与开发 2013年6期

杨飞，闫媛媛

（陕西科技大学，陕西西安 710021）

静态混合器是一种没有内部运动部件的高效混合设备，主要通过固定在流体通道内的混合元件使流体达到良好的分散和充分混合的目的，近年来在工业中得到了广泛的应用[1]。本文以SK 型静态混合器为例，利用Pro/e 对混合器进行了参数化建模，再应用ANSYS-CFX 对静态混合器内流体的流场进行了模拟，得出了其各切面的速度、温度分布云图，分析了静态混合器内流体的流动及混合特性，发现对于每个混合元件流体的平均径向速度在其中间横截面处达到最大值，流体的径向旋转方向与所在通道的混合元件螺旋方向相反，并对静态混合器和空管混合器的传热性能进行了模拟，从数值模拟的角度进一步证实了静态混合器的传热效果优于空管混合器，为后续静态混合器的设计与研究提供参考。

1 应用软件简介

Pro/e 作为目前最普及的三维建模软件之一，具有参数化设计和全关联性数据库的特点。它是一个集零件设计、数控加工、模具开发、产品装配、动态仿真和有限元分析为一体的CAD/CAM 软件。ANSYSCFX 作为CFD 技术的主要软件之一，能够对各类流体流动与传热、辐射、多项流、化学反应、燃烧等问题进行模拟求解，主要由前处理、求解和后处理三部分组成。ICEM 作为ANSYS-CFX 的前处理软件，是一个具有高质量网格划分技术和广泛CAD 接口的专业网格划分软件。因此，对于一些结构比较复杂的模型就可以先通过Pro/e 进行建模，然后导入到ICEM 和CFX 中划分网格和求解。

2 静态混合器的计算模型

2.1 湍流模型

雷诺应力模型引入了应力运输方程和耗散速率方程，计算精度高，但增加了方程数量，对计算机要求较高；而标准k-ε湍流模型较雷诺应力模型求解的方程数量少计算机硬件要求低，而且能很好地解决实际的工程问题，故文中选取标准k-ε湍流模型并配合标准壁面函数法进行计算。孟辉波等[2～3]专家采用同样的湍流模型对混合器进行了模拟，并取得了与实际吻合较好的结论。

2.2 控制方程

采用标准的k-ε湍流模型，静态混合器内流体的流动与传热应满足连续性方程、动量守恒和能量守恒三个基本控制方程，基于不可压缩的牛顿型流体控制方程简化为以下形式[4]：

其中，p 是流体微元体上的压力，Sc、Sv和Sw是动量守恒方程广义源项，ρ为密度，µ为动力粘度，Cρ为比热容，k 为传热系数；对于模型中的k 方程和ε方程及相关常数可参见文献[4]。

2.3 几何建模与网格划分

几何模型采用SK 型静态混合器，其混合单元由扭成180o的左右旋叶片差开90o首尾相连构成，基本尺寸为：D=15mm，L/D=2(其中D 为混合器直径，L 为叶片长)。由于SK 型静态混合器结构比较复杂，故应用专业的参数化建模软件Pro/e 对混合器进行了建模，如图1 所示。模型建立完成后将其保存为通用的Parasolid 格式，然后导入到ICEM CFD 中划分网格，利用自动生成六面体网格划分方法生成全局网格，另外为了得到更高质量的网格，对叶片网格进行了局部加密，混合器整体网格做了检测和光顺处理，网格质量达到0.6，图2 为生成的网格模型。

图1 混合器模型

图2 网格模型

3 CFX 求解及结果分析

3.1 边界条件

计算工质为温度15oC 和102oC 的纯净水进行混合，密度为99kg·m-3，粘度为1.003mPa·s，重力忽略不计；计算中定义速度和温度入口边界条件，速度大小为1.2m·s-1；出口为压力出口边界条件，出口相对静压设为0Pa；混合器管壁和混合叶片壁面均采用无滑移光滑绝热壁面边界条件。

需要说明的是以上边界是为研究混合器的流动与混合特性设置的，在讨论混合器传热性能时的边界条件在3.3.2 节给出。

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 静态混合器内流体的流动与混合特性

从图3 看出，两股流体以给定流速流入装有螺旋混合单元的混合管，由于混合元件的作用，流体在混合管内沿轴向向前流动的同时被迫产生绕轴线的旋转运动，合成为螺旋前进方式，而且混合管内流动趋势良好，无回流和短路现象。

图3 混合器内速度矢量图

从图4 看到，流体由一个叶片进入下一个叶片时，上一个叶片将流体分割成两股新流体，这两股流体在进入下个叶片时又被分割,再次形成两股新流体，而且形成的每股新流体中都包含前两股流体的一部分；当流体流经n个螺旋叶片时就被分割n 次，新旧流体混合2n次。正是由于这些作用，使混合器内流体不断发生分割、扭曲、分离和重组的运动，最终达到充分混合。

图4 混合器相邻两叶片流体的速度矢量图

图5 静态混合器混合过程温度分布图

图5 为静态混合器内两流体混合过程中不同横截面的温度分布图，可以看出冷、热流体在混合器内迅速混合，温度梯度减小很快，出口附近管内流体平均温度为57℃，说明混合效果很好。

为了分析径向流动情况，选取混合管内第2、3、4 这3个连续叶片的横截面，如图6 所示。从图中看出，流体产生由轴心向管壁的径向旋转运动，从流体流动正方向看，相邻叶片和单个叶片的非连续螺旋通道内流体径向的旋转方向均呈现顺时针旋转，则由流体速度场关于混合元件对称分布可知相邻叶片和单个叶片的连续螺旋通道内流体径向旋转方向为逆时针转动，即流体的径向旋转方向与所在通道的混合元件螺旋方向相反。从图中还可以发现，在单个混合元件长度上，流体的平均径向速度先逐渐变大然后减小，且在混合元件L/2 长处达到最大值(速度矢量的长度表示速度大小)。

图6 混合器不同横截面的速度矢量图

3.2.2 静态混合器的传热特性

为研究混合器的传热特性，取一个与静态混合管尺寸相同的空管混合器进行对比分析，改变两个管外壁为无滑移恒温壁面边界，温度为400K（与管内流体进行对流传热）；流体介质换为水（由于本段仅研究静态混合器的传热性能，故选取一种流体进行考虑），流体入口温度为288K，比热容4200J·(kg·K)-1，热传导率0.6W·(m·K)-1，入口流速和出口边界保持不变，混合元件壁面边界也固定不变，模拟结果及分析如下。

在流体的粘性阻力作用下，流体在管内流动时在贴近管壁处有一个边界层，与管中央相比边界层的流体流速要慢得多。对于强制对流传热过程，边界层决定着整个传热过程的热阻[5]，这直接影响到对流传热的效果。从图7 中可以看出，流体进入空管混合器后温度明显分层，在管壁附近流体温度逐渐由壁面温度变化为来流温度，形成了鲜明的温度梯度，流体流动过程中温度梯度很难消除，流体与管壁的对流传热效果较差。

图7 空管混合器沿轴向不同横截面的温度分布

而静态混合器中由于混合元件的存在，内部流体除了沿轴向的流动外还存在径向的旋转运动，使管心处的流体流向管壁，管壁的流体流向管中心，增强了管壁与管心流体的流动，减小了边界层，热阻下降，并且在连续螺旋通道内流体的径向旋转速度反向变化，强化了径向传热；另外混合器内流体每经过一个混合叶片都会被切割、分散和扭曲，这使得混合管流体在流动过程中速度反复发生变化，从而加强了混合管内流体的湍流程度，有利于传热。从图8可以看出静态混合器管内没有出现明显的边界层，流体的径向温差很快消失，出口附近流体的温度增大，传热量增多，换热效果增强，并且静态混合器内流体的温度分布相比空管混合器均匀了很多，说明静态混合器的传热性能明显优于空管混合器。