基于Fluent的多流道螺旋静态混合器数值分析

徐鹏博

摘 要：多流道螺旋静态混合器（简称SD型静态混合器）是在SK型静态混合器的基础上新开发的一种静态混合器。该混合器可以实现流体在多个（3个及以上）通道内同步螺旋流动，提高湍动混合程度。文章利用流体力学软件FLUENT 5/6，采用Realize k-ε模型对SD型静态混合器在不同雷诺数以及不同結构参数下的流动阻力进行了数值模拟。

关键词：FDD-LTE；TDD-LTE；SD型混合器；长宽比；扭转角；流动阻力；雷诺数

中图分类号：TQ051.71 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）29-0006-02

1 概 述

流体混合可能是化学工业生产中最常见的一种现象。目前，工程上促使物料混合的基本方法有：机械搅拌、射流混合、静态混合。静态混合器（STATIC MIXER）借助流体管路的不同结构，得以在很宽的雷诺数范围内进行流体的混合，而又没有机械式可动部件的流体管路结构体。作为一种没有运动部件的高效混合设备，静态混合器得到了广泛的应用。

静态混合器的设计和研究大多还只是停留在经验和实验的基础上，随着流体力学的发展，静态混合器的数值模拟渐趋成熟。尹红霞用计算流体力学软件FLUENT对内置翼片静态混合器的三维流场情况与液-液两相流混合情况进行数值模拟；Bakker和Laroche用Fluent软件求解了HEV螺旋形静态混合器；朱锡峰用Phoenics软件对自行研制的静态混合器进行了数值模拟。

本文采用数值模拟的方法求解出在管内径一定情况下，不同结构参数（不同长宽比、不同螺旋角下）的混合器在不同雷诺数时（不同流量）的流体阻力特性研究，从而为工业应用提供技术支持。

2 网格划分

为了获取较详细的流场信息，本文拟研究在恒管径（φ76×4 mm）和恒管长（1 000 mm）时不同长宽比（不同单元数）下，5叶片螺旋角为180 °的混合器部分流场特性。混合器中元件前后各留有140 mm的空管段，这样元件长宽比4：1（6单元），3：1（8单元），2：1（12单元）时均保证元件的总长为720 mm不变。

本文试图尝试在尽量满足模拟结果精度要求的情况下，所获取的模拟时间尽量的短。在用GAMBIT进行网格划分时，本文选用不同的节点间距生成网格，然后将网格文件导入FLUENT中进行模拟（模拟前检查网格质量良好且无负体积）。3叶片长宽比4：1时相邻节点间距为2时部分元件的网格图，如图1所示。

经过多次反复试验，发现Realize k-ε模型从收敛精度和稳定性等方面均较好的满足了模拟要求。为此，本文采用Realize k-ε模型进行后续模拟。

3 流体阻力特性研究

静态混合器的流动阻力是评价其性能的一个重要指标[4]，流动阻力的大小主要取决于流速、介质粘度以及流道的长度和复杂程度。本文将从流体参数、长宽比、扭转角、混合单元数、叶片数量诸方面研究他们对流体阻力的影响，从而探寻结构参数对流体阻力的影响规律。

本文尝试在取几个适中雷诺数时（研究表明SK在Re为400即达到湍流状态）同时采用层流和湍流模型计算。由于多流道旋流片的加入使混合管压力降大大增加，流速越小影响程度反而越大。在本混合器正常工作的流速范围内其压力降为光滑空管压降的10倍左右，该压力降参数可以作为初步估算本静态混合器压力降的依据。

在混合元件总长一致的情况下，本文模拟了长宽比分别为2：1、3：1和4：1的3流道螺旋静态混合器压力降随雷诺数的分布情况，如图2（a）所示。

通过比较发现，在任意雷诺数（流量）下，混合器总压降均随着螺旋叶片长宽比的减小而增大，两者之间成一定的反比关系。为了分析扭转角对流动阻力的影响，本文从90 °角时开始，每隔30 °做一组模拟，直至270 °，文中特意添加了360°角的一组模拟，如图2（b）所示。

研究发现螺旋角与压力降成一定的比例关系。相同雷诺数下，90 °角（螺旋角最小）时混合器的压降为最小，然后随着角度增加，压降也随之增加，360 °角（螺旋角最大）时混合器的压降为最大，90 °角的压降与360 °的压降相差很大，这与理论分析相符合。

为分析混合单元数对压力降的影响，本文选取了混合元件长宽比为4：1的本静态混合器针对7种不同雷诺数下的压力降进行了模拟研究，如图2（c）所示。

通过对比发现，在双对数坐标下，每种雷诺数Re下的压力降与单元数之间都近似成一定的线性关系，各条直线斜率基本一致。

为了研究叶片（流道）数量对流动阻力的影响程度，本文从空管到SK型静态混合器再到3叶片、4叶片、5叶片SD型静态混合器做了一组流动阻力对比分析，如图2（d）所示。螺旋叶片长宽比4：1，相应的SK型静态混合器叶片长径比2：1，测得Re=1133时的压降分别为0.252541 Pa，2.220367 Pa，2.834353 Pa，3.50132 Pa，4.373689 Pa，3叶片时的压降近似为空管的10倍。不难得出空管的压降最小，SK 次之，5叶片最大。叶片数越多，压力降越大。

4 结 语

本文采用计算流体力学（CFD）的方法，对一种新型的多流道螺旋静态混合（SD型静态混合器）在管内径一定时不同雷诺数（不同流量）以及不同结构参数（不同长宽比、不同螺旋角下）的混合器在阻力特性进行了初步研究，主要得出了如下结论：

对不同长宽比下的SD型混合器压降比较发现，在任意雷诺数（流量）下，混合器总压降均随着螺旋叶片长宽比的减小而增大，即两者成一定的反比关系， 而且长宽比较小的多流道螺旋静态混合器的压力降对流量波动更为敏感。

对含不同螺旋角的SD型混合器分析发现，螺旋角越大，压降越大，主要是因为在混合元件长度一定的情况下（螺距恒定），螺旋角越大，元件的扭转程度越大，导致流体走过相同的轴向位置时花费的时间越长，同时流体被分割和剪切的程度也越大，这样流体获得的阻力自然就会随着扭转角的增加而增加。但工程实际中必须结合实际（加工难易、制造成本、混合效果等）选取一定范围的螺旋角，本文的研究恰确定最优螺旋角奠定了一定的基础。

SD型混合器的压力降与混合单元数成一定的指数规律，而非正比关系，形成这种规律的原因是因为压力降由两部分构成：一部分是由于混合单元数的增加增大了流体与元件的接触长度，摩擦阻力增大，摩擦阻力与混合单元数成正比；二是由于混合单元数增加的同时增多了相邻混合元件的交接区域，在交接区域内流体存在剪切、扭转及冲击等，消耗一定的流体动能，从而形成一定的局部阻力。

叶片数越多，通过混合器的压降越大。当Re<700时，SD型静态混合器压力降略小于SK型静态混合器；当Re≥700时，SD型静态混合器压力降略大于SK型静态混合器。

文中也只研究了一种混合内径下的SD型混合器的阻力特性，接下的工作者可以尝试研究更大管径的SD型混合器的混合情况。

参考文献：

[1] 尹红霞.内置翼片静态混合器的三维流场模拟[D].哈尔滨：哈尔滨工 业大学，2006.

[2] Bakker A，LaRoche R.Flow and mixing with Kenics static mixers[J]. Cray Channels，1993，（3）.

[3] 朱锡锋.液体比例混合与流动可视化研究[D].浙江：浙江大学，1996.

[4] 陆寒冰.新型静态混合器的CFD研究[D].天津：天津大学，2007.

[5] 陈邦国.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6] Urpelf Paprican Chair，ELF-GRL，ELF Aquitaine.Numerical Investigation of the Performance of Several Static Mixers[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1998，（76）.