超声空化对SK型静态混合器混合效果的影响

刘 备， 孙 铁， 金重阳， 杨雪峰， 张素香， 罗 鸣, 周长茂

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

石油化工领域经常会遇到混合问题。例如，工业上将两种物料快速混合，常用的处理方法就是采用机械搅拌设备。由于机械搅拌设备体积庞大、使用效率低下、操作繁琐、能耗高等诸多缺点，人们正在积极寻找一种能够替代机械搅拌的混合设备。作为混合使用的静态混合器应运而生。但是在很多情况下，传统的静态混合器并不能满足生产要求。比如对流体的混合效果要求较高时，就需要增加混合元件的个数。混合元件个数的增加，不仅增加了混合器加工制造的难度，而且增加了流体在混合器内的停留时间和压降。在很多要求快速混合的场合，传统的静态混合器就无能为力了。当对流体的混合时间要求较短时，需要缩短混合器的混合长度。混合长度的缩短导致混合元件的减少，从而影响了流体的混合效果,不能满足生产要求。

目前，国内对于SK型静态混合器的研究有了一定的进展。龚斌等[1]研究了混合元件数对SK型静态混合器内速度分布和湍流强度的影响。王宗勇等[2]研究了流道数对SK型静态混合器内混合效果和压降的影响。黄娜等[3]研究了边界条件对SK型静态混合器内速度分布的影响。

超声波能在液体中产生微冲流，具有搅拌作用。在不相溶的两相液体中，微冲流能促使两液相面加速互相分散，具有乳化作用。杨小斌等[4]进行了超声场下搅拌槽内微观混合的实验，H. Monnier等[5]研究在超声波作用下不同液体微观分子规模的混合，这些实验均表明，超声波对微观混合有明显的强化作用。

迄今，将超声空化技术与SK型静态混合器相结合的研究报道尚很少见。为了解决目前的静态混合器混合效果与混合时间不能同时达到最优化这一问题，笔者研究了超声空化对SK型静态混合器混合效果的影响，以期为超声空化技术在静态混合器上的应用提供指导。

1 物理模型

超声波静态混合器示意图如图1所示，它包括超声波发生器、底座、换能器、声场作用槽和静态混合器五个部分。混合器内元件的个数一般不超过6个,混合元件扭转180°，相邻两个元件的旋向相反，并相错90°排列。为了克服混合长度缩短导致混合效果不好的问题，在静态混合器下方放置一个声场作用槽，在底座上设置若干个换能器，如图1(b)所示。

图1 超声波静态混合器示意图

Fig.1Aschematicdiagramofultrasonicstaticmixer

2 数值模拟

2.1 模型建立及网格划分

计算模型是利用PRO/E软件进行几何建模，导入GAMBIT中进行网格划分，共有302 978个单元。在GAMBIT中检查网格的质量，EquiSize Skew在0～0.4的网格数占了76.68%，说明网格质量比较理想。模型内径为50 mm，混合元件的长径比为1.5，网格模型如图2所示。

图2 网格模型

Fig.2Gridmodel

2.2 控制方程及计算方法

FLUENT中的空化模型要求主项必须是液体，次相为其气相，故选静态混合器内气液两相流体介质为水和水蒸气。在模拟中选用Mixture模型，考虑空化模型时，在两项的相互作用中选择空化模型，不考虑时则不选。

(1) 连续性方程：

(2) 动量方程：

(3) 体积分数方程：

(4) 标准k-ε模型方程[6]：

(5) 空化模型控制方程[7]：

当p

当p>psat：

(6) 湍流速度分布函数[8]：

模拟采用SIMPLE算法耦合压力场和速度场，求解器中的压力项采用PRESTO!算法。其它主要参数如动量、湍动能和湍流耗散率均采用QUICK格式，亚松弛因子保持默认值。模拟过程中考虑热力学因素，定义水蒸气的饱和温度及汽化潜热等物理量，并以湍流模型下的入口截面的速度分布函数作为边界条件进行UFD编程并进行模拟。

2.3 边界条件

计算的入口边界条件为速度入口，速度为0.5 m/s，出口边界条件为压力出口。湍流强度设置为5%，水力直径为50 mm，入口处气体的体积分率为0.1，并将气体限制在入口中心处以便于观察混合效果，计算时需考虑重力的影响。

3 计算结果及分析

3.1 速度场的分布与比较

流体进入混合器后，在混合元件的扭转与切割作用下不断地进行混合。图3为是否加入空化模型时静态混合器进口截面上的速度分布。

图3 进口截面速度分布

Fig.3Velocitydistributionofinletsection

从图3中可以看出，加入空化模型的进口速度比未加入空化模型的明显增大。经计算，未加入空化模型中流体平均速度为0.5 m/s，加入空化模型中为0.55 m/s，流速提高了10%，这是由于超声空化的加入对流体造成扰动，使其进入入口后具有了其他方向的速度，因此合速度增大，说明超声空化可以提高进口处流体的流速。

3.2 浓度场的分布与比较

图4为未加入空化模型时静态混合器不同截面(水蒸气)的浓度分布。从图4(a)中可以看出，在第一个混合元件处水蒸气的浓度梯度最大，随着流体间的相互作用，浓度梯度越来越小，到第六个混合元件出口处，实现浓度均一。从图4(b)可以看出，仅存在很小的浓度差。经计算，出口处水蒸气的体积分率平均值为10.00%，最大值为10.40%，最小值为9.93%，此时出口处的流体基本实现均匀混合。

图4 不同截面(水蒸气)浓度分布

Fig.4Distributionofdifferentsection(watervapor)concentration

图5为加入空化模型后静态混合器不同截面(水蒸气)的浓度分布。从图5(a)中可以看出，与图4相比，流体的混合速度更快，而且混合更为彻底，未到第二个混合元件处浓度分布便已经较为均匀。从图5(b)中计算可知，此截面各节点处水蒸气的体积分率均为10%，已经实现均匀混合。与未加入空化模型相比，超声空化可以使流体的混合速度更快，混合效果更好。

图5 不同截面(水蒸气)浓度分布图(加入空化模型)

Fig.5Distributionofdifferentsection(watervapor)concentration(addingultrasoniccavitation)

3.3 压力场的分布与比较

图6为是否加入空化模型时静态混合器沿轴线方向上的压力曲线。从图6(a)中可以看出，未加入空化模型时从进口到出口处，压力值均匀降低。经计算，混合器的进出口压差约为746 Pa。从图6(b)中可以看出，加入空化模型后在前第一个混合元件处的压降最为明显，这与入口处附近流体流速提高的结果吻合。经计算，到z=40 mm处时混合器的进出口压差达到了836 Pa，略大于未加入空化模型时的压降。

图6 静态混合器沿轴线方向上的压力曲线

Fig.6Thepressurecurveinthedirectionofthestaticmixeralongtheaxis

3.4 湍流强度场的分布与比较

由流体力学可知，流速对混合器内流场具有直接的影响。流速越大，流场内湍动就越剧烈，流体间的混合就更容易，更充分。图7为静态混合器中心剖面上的湍流强度分布。从图7中可以看出，加入空化模型比未加入空化模型中流体的湍流强度有所增强，强化作用在第一个混合元件处最为显著，进入第二个混合元件后基本达到稳定。说明超声空化可以增强流体的湍流强度，这也和压力场、速度场的分析相一致。

图7 中心剖面湍流强度分布

Fig.7Distributionofturbulenceintensityincentralsection

4 实验验证

4.1 装置的工艺流程及结构

自行设计并组建的实验装置由SK型静态混合器、隔膜泵、玻璃转子流量计、超声波发生器、回收槽组成(见图8)。待混合物料分别经隔膜泵、流量计后，进入静态混合器，混合后的物料由上方出口进入回收槽。为了便于观察混合效果，静态混合器的外壁采用PVC透明材料，在静态混合器管壁外卡上金属水槽，在水槽壁上贴上超声波振子。

图8 装置结构图Fig.8 Device structure

为了验证超声波对静态混合器混合效果的影响，实验选用SK型静态混合器的混合元件长径比为1.5，共7个混合单元，以左旋、右旋相间排列。混合元件为金属材质，安装在透明管中，便于实际操作以及对实验现象的观察。实验原料为煤油和水，实验过程中在煤油中加入微量苏丹红 Ⅲ(质量分数约0.05%)染色，以分辨不同相。

4.2 实验参数及步骤

4.2.1 实验参数 SK型静态混合器的尺寸设计与模拟相同，内径为50 mm，混合单元长度为750 mm，混合器内放置7个混合单元。实验中煤油和水的流量比为1∶8。将待混合料液抽入静态混合器，等混合器内充满液体并流动稳定后，观察混合效果，进行拍照。

4.2.2 实验步骤

(1) 搭建实验台，连接管路；

(2) 启动泵，调节流量，实验中调节水的流量为4 L/min，煤油的流量为0.5 L/min；

(3) 待管中充满液体，流动稳定后，进行拍照；

(4) 开启超声波静态混合器，待流动稳定后，记录实验结果；

(5) 关闭仪器。

4.3 实验结果

实验结果如图9所示。从图9(a)中可以看出，未加入超声波时，在入口处，有明显的油水分界层，并且煤油以带状沿着混合元件向上流动，逐渐开始出现分散现象，在第六个混合元件处，可以看到煤油开始分散，出现较小的油滴，且油滴分布较为均匀。

加入两个40 kHz的超声波振子后(见图9(b))，第二个混合元件上方还有较为明显的油水分界层，但从油的颜色来看，红色比较暗，分布面积也变大，说明超声波的加入使油分布较为分散。从第三个混合元件开始，已经没有明显的油水分离层，且油滴颗粒小，红色分布已经很均匀。

图9 实验结果

Fig.9Theresultofastaticmixerwhetherornottoaddultrasound

5 结论

(1) 混合器内浓度场的模拟结果表明，超声空化可以使流体的混合速度更快，而且混合效果更好，它克服了目前的静态混合器混合效果与混合时间不能同时达到最优化这一困难。

(2) 混合器内速度场、压力场和湍流强度场的模拟结果表明，超声空化可以提高进口处流体的流速，增强流体的湍流强度，强化作用在第一个混合元件处最为显著，进入第二个混合元件后基本达到稳定。

(3) 实验验证了加入超声波对混合效果有影响，未加入超声波时，到第六个混合单元才开始出现较小的油滴，油滴出现均匀分布现象。加入超声波后，经过两个混合单元，已经没有了油水分界层，并且油滴颗粒更小，分布更加均匀。实验中超声波的作用效果与模拟的结果基本吻合，也验证了模拟的正确性。

符号说明

C1ε,C2ε,Ce,Cc为经验常数;

F为体积力，N/kg;

f为质量分数;

Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;

g为气体;

gi为重力加速度，m/s2;

k为湍动能;

l为液体;

p为流体各向同性压强，Pa;

psat为液体在给定温度下的饱和蒸气压强;

Rc为蒸气凝结率;

Re为蒸气生成率;

T为温度，℃;

t为时间，s;

ui,uj,uk为时均速度，m/s;

Vch为特征速度;

v为蒸气;

xi,xj,xk为速度张量;

αi为第i项的体积分数;

γ为有效交换系数;

ε为湍流耗散率;

μ为流体黏度，Pa·s；

μt为流体黏性系数，Pa·s；

V为蒸气相的速度矢量；

ρ为密度，kg/m；

σ为液体表面张力系数；

σk,σε为湍流普朗特数；

υ为流体平均速度，m/s

λ为管道摩擦阻力系数;

d为比直径，无量纲的直径;

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