HEV型静态混合器翼片结构优化研究

王冠宇

华电青岛环保技术有限公司 山东青岛 266000

1 结果分析

1.1 湍流强度分析

由Kolmogorov理论可知：湍流场是由各种大小不同的涡构成的，这些旋涡中蕴含着流体的大部分能量。尺寸越大的涡旋含有的能量越多，尺寸较小的涡旋含有的能量相对就较少。当外界没有能量持续输入的时候，由于各种原因，会造成大尺寸涡旋外缘上两端间的流体产生较大的速度差，这种速度差会使涡旋产生一定的剪切力，在这种剪切力的作用下，大尺寸涡旋会逐级分裂成许多较小尺寸涡旋。由于小涡旋的产生使流场湍动能增加，而湍动能的增加有利于混合，故研究湍动能的分布可以得出翼片的作用效果、混合发生的主要区域。

图1是4种模型的纵向截面湍流强度分布图，红色表示湍流强度较高的区域，蓝色表示湍流强度较低的区域。从模型一、模型二的湍流强度分布图可以看出：由于翼片的长度有限，对轴线区域流体的扰动作用并不明显；在混合器的轴线附近，存在大面积湍流强度较低的区域。从模型三、模型四的湍流强度分布图可以看出：随着翼片长度逐渐增加，翼片向轴线区域延伸，混合器内轴线区域的湍流强度明显增大；混合器内并没有出现大面积低湍流强度区域，湍流强度的最大值也逐渐变大。结合Kolmogorov理论可以推测，翼片长度增加可以很好地促进HEV型静态混合器内的流体混合[1]。

图1 4种模型在纵向截面湍流强度分布图

1.2 速度矢量分析

为了解翼片增长对流体流动的影响，选取流体流经第一排翼片的速度矢量图为研究对象。图2是4种模型在轴上坐标z=150mm时横向截面上的速度矢量图。从图2中可以看出：油水两相在流经翼片时，因为翼片的阻滞，流体会绕过翼片，在翼片后方形成漩涡。根据湍流混合理论，漩涡尺寸越大，分裂为小漩涡的次数就会越多，越有利于两相的混合，漩涡外缘上两端间流体的速度差形成的剪切力，也会促进流体由高速区向低速区运动。通过对比发现，随着翼片长度的增加，漩涡的影响区域面积不断扩大。当长度为0.594D时，漩涡外缘已延伸至轴线区域附近，有利于轴线区流体与边壁区流体的对流[2]。

2 结构优化

2.1 新结构翼片物理模型

图2 4种模型在横向截面的速度矢量图

图3 新结构翼片

新结构翼片是通过改进长度为0.594D的翼片而来，其结构如图3所示。将长度为0.594D的翼片按图中所示参数，剖分成为两个翼片，分别命名为前翼片和后翼片，前后翼片旋转角为90°，新结构翼片仍按原有位置均匀布置在混合器内，混合器结构参数同上文一致，如图4所示。

图4 新结构混合器模型示意图

2.2 新结构混合器求解方法

对于新结构的混合器，模拟方法与前文相同。

2.3 新结构的模拟结果分析

采用前文方法计算新结构的混合不均匀度系数以及压力降数值，并将计算结果与模型一、模型四相关数值进行对比，从而分析3种不同结构翼片对混合器混合性能的影响。导出FLUENT模拟数据，计算得出新结构混合器出口处混合不均匀度系数为0.028456，其结果远小于0.05，混合效果良好。导出入口截面平均压力与出口截面平均压力数值，计算差值得出新结构混合器压力降为1141.871Pa。

3 结论

（1）流体在HEV型静态混合器内运动时，会受到内置翼片的约束和影响。翼片长度增加，翼片对轴线区域流体的扰动增强，有利于液液两相流体的混合。（2）随着翼片长度增加，HEV型静态混合器的混合效果增强。当翼片长度为0.33D、0.396D时，最终混合效果均未达到良好状态；当翼片长度为0.495D时，最终混合效果达到良好状态；当翼片长度为0.594D时，最终混合效果达到均匀状态。同时，混合管的压力降也逐渐增大。（3）新型的HEV型静态混合器压力降与现有的HEV型静态混合器压力损失相差不大；混合不均匀系数为0.028456，混合效果良好。模拟结果显示：新结构HEV型静态混合器是一种合适的、性能良好的静态混合器[3]。