叶片数量变化对同心双扭旋元件管内流动特性的影响

信东明 丁桂彬 张春梅

摘      要：采用数值模拟方法对内置多个扭旋元件的管内流体流动特性进行研究，得到不同雷诺数下，叶片数量N对螺旋流场分布、流动阻力的影响规律。结果表明：流体在扭旋元件长度范围内，在扭旋元件的诱导下绕叶片中心做螺旋流动。随着叶片数量的增多，管内螺旋涡的数量随之增多，增加叶片数量强化了径向流动。压力降随着叶片数量增加而增加，低雷诺数下呈线性增加，高雷诺数时呈非线性增长，当叶片数达到5之后增长速度明显降低。

关  键  词：数值模拟;扭旋元件;螺旋流场;压力降;叶片数量

中图分类号：TQ053.6       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）08-1707-04

Abstract： The numerical simulation method was used to study the fluid flow characteristics of the tube with multiple torsional elements. The influence of the number of blades N on the spiral flow field distribution and the flow resistance was investigated under different Reynolds numbers. The results showed that the fluid flowed spirally around the center of the blade under the induction of the torsional element within the length of the torsion element. As the number of blades increased， the number of spiral vortices in the tube increased， and the blades increased the radial flow. The pressure drop increased with the increase of the number of blades. It increased linearly under low Reynolds number and increased nonlinearly under high Reynolds number. When the number of blades reached 5， the growth rate decreased significantly.

Key words： Numerical simulation; Torsional rotating element; Spiral flow field; Differential pressure; Number of blades

以KSM型为代表的旋流型静态混合器因其具有流动阻力小、对混合器安装方式无特殊要求、元件加工简单装配方便、流动面积大、不易堵塞等优点，在化工、制药、造纸、食品等过程工业具有大量的应用案例。随着工艺要求的提高，对KSM型静态混合器性能也提出更高的要求。研究表明，混合器内混合元件的几何结构参数的改变对其性能有很大影响。例如，Hobbs和Muzzio等[1-5]利用CFD软件对Kenics型静态混合器低雷诺数情况下流场进行求解，对影响流动和混合的混合器的结构参数进行优化。O.Byrde[6]等数值模拟研究了扭转角对混合效率影响，表明在层流非蠕变条件下，当扭转角180°时混合效率达到最大。李洪亮[7]等采用实验方法测定了单相流体和两相流体流经KSM型静态混合器的压力降，表明元件螺旋角、元件前后边缘的光滑程度、元件的形状偏差和相邻元件的连接状况等对流动阻力存在一定影响。张春梅[8]研究了高雷诺数条件下，长径比、元件数目对流场和压力降影响规律。

沈阳化工大学在KSM静态混合器基础上开发出了多种新型旋流静态混合器，比如单管多旋静态混合器、多流道静态混合器等来改善其性能。龚斌[9-10]和孟辉波[11-15]等采用数值模拟方法对管截面上装有一至四个扭旋叶片的单管多旋静态混合器的流動性进行了分析，二、三、四叶片静态混合器存在强和弱两种旋涡，有利于强化径向混合;随着叶片数量增加，其流动阻力逐渐增大;三、四扭叶静态混合器混合效率比两扭叶的高。王宗勇[16]等在层流范围内对多流道螺旋静态混合器中两种物性接近的流体混合性能进行数值研究，研究结果表明：随着流道数量的增多，流体的混合性能提高，达到所要的混合元件长度减小。

本文研究的同心双螺旋静态混合器是沈阳化工大学在KSM静态混合器基础上开发的又一种新旋流型静态混合器。这是一个全新的结构，能够实现同心反向双螺旋流动。该流动形式与以往旋流型混合器流动特性存在明显的区别。本文研究目的是通过对内置多个扭旋元件的管内流体流动进行数值模拟，得到不同雷诺数下，扭旋元件叶片数量对螺旋流场分布、阻力摩擦系数f的影响规律，进而得到优化结构参数，揭示同心双螺旋静态混合器的流动机理，为同心双螺旋静态混合器工业化应用提供理论依据。

1  数值模拟

1.1  物理模型

图1为同心双螺旋静态混合器，由混合直圆管和内设的若干组同心扭旋元件组成，扭旋元件由内、外扭旋叶片构成;内扭旋叶片位于混合管中心，由长为H、宽度为2Wi、厚度为δ的N块矩形板绕混合管中心轴线扭转α角而成;外扭旋叶片紧贴混合管内壁，长度、厚度、数量及扭转角与内扭旋叶片相同，内、外扭旋片旋向相反，叶片宽度为Wo，叶片宽度间存在2（Wi+Wo）=Di关系，初始周向相错角90°。相邻元件之间轴向错角为β，沿混合管轴向依次排列。本文模拟对象的具体几何尺寸见表1。

为便于分析，建立如图1所示的笛卡尔坐标系，坐标原点位于内扭旋片入口截面中心位置，x轴和y轴分别与外和内扭旋片入口截面的板面相平行，z轴与圆管中心轴线重合并指向流体流动方向。流体在入口均匀流入混合器，在压力梯度的作用下沿着轴线方向流动，流经扭旋元件从圆管出口流出。

1.2  参数设定

利用CFD软件Fluent 17.0对管内螺旋旋流特性进行数值模拟。采用Solidworks软件建立相应的几何模型，在Fluent前处理软件ICEM中對旋流区域进行合理的非结构化网格划分，生成正交性较好的四面体网格。数值计算采用三维双精度求解器，压力和速度的耦合采用Simplec方法。模拟流体介质为20 ℃的水，入口边界条件为速度均匀入口，出口采用压力出口形式。定义管入口雷诺数 ，其中ρ为流体密度，μ为流体动力粘度， 为入口平均表观速度。低雷诺数部分，采用Laminar模型。高雷诺数部分，采用k-epsilon realizable模型。连续性方程残差收敛到10-5以下，动量方程残差收敛到10-6以下。

1.3  网格无关性检验

考虑网格疏密程度对数值精度的影响，本文在同一扭旋元件数N=2和雷诺数Re=100条件下对管内旋流区域进行尺寸不同的网格划分，在网格数量为 ～ 的范围内，数值计算得到相应的阻力摩擦系数，如图2所示。结果表明，随着网格数量的增多，阻力摩擦系数呈现逐渐上升并最终趋于恒定的变化趋势，当网格数量达到 时，f基本趋于恒定。故本文选取网格数量为 对应的网格尺寸对模型进行网格划分。

2  结果及分析

选用入口Re=100和Re=3 000，分别对图1模型在低雷诺数下、高雷诺数下同心双螺旋流动速度和流动阻力进行数值模拟计算。

2.1  叶片数量对同心双螺旋流速场的影响

2.1.1 低雷诺数下叶片数量对螺旋流场分布的影响

为了分析叶片数量对螺旋流场分布的影响，提取流速计算数据，做出截面速度流线图及轴向时均速度云图进行的对比分析。如图3所示，给出了叶片数量分别为2、3、4、5时，各个扭旋元件模型在z/H=0.225截面的截面速度流线图。

从截面流线图可以看出，流体流动在管截面内形成与相应扭旋片旋向相同的涡流。随着叶片数量的增多，边壁区域的流体流动面积逐渐扩大，同时流体流动的宽度范围逐渐增大，直到与外扭旋元件宽度一致，说明管内叶片数量变化决定了边壁流体面积的大小。从轴向时均速度云图中可以看出，在外扭旋叶片区域，轴向速度高速区沿周向均布，数量与叶片数相当;在内扭旋叶片区域，轴向速度随着叶片数增加逐渐减弱。截面流线图和轴向速度云图结合来看可知，流体在扭旋元件长度范围内，在扭旋元件的诱导下绕叶片中心做螺旋流动。随着叶片数量的增多，管内螺旋涡的数量也随之增多。因为叶片数量的增多，流体做螺旋流动的旋转中心数量增多，其数量变化为3、4、5、6。叶片数量N=5时，旋涡数量最多、径向流线区域最大。

2.1.2  高雷诺数下叶片数量对螺旋流场分布的影响

为了分析高雷诺数下叶片数量不同时混合器内的螺旋流场分布情况，给出了Re=3 000、z/H=0.225条件下截面处叶片数量为两叶、三叶、四叶、五叶等类型同心双螺旋静态混合器的速度矢量图及时均速度云图，如图4所示。

从截面速度矢量图可以看出，流体在内外叶片宽度范围内分别随相应叶片做旋转运动，随着叶片数量的增多，边壁区域的流体径向流动程度明显增强。从轴截面时均速度云图中可以看出，在外扭旋叶片区域，时均速度随着叶片数增加逐渐增强;在内扭旋叶片区域，时均速度随着叶片数增加缓慢减弱。由此可知，管内涡流数量随叶片数增加而增加，其数量变化为2、4、5、6。叶片数量N=5时，旋涡数量最多，获得的径向流动效果最为显著。

2.2  叶片数量对同心双螺旋流流动阻力的影响

2.2.1  低雷诺数下叶片数量对流动阻力的影响

为了分析叶片数量对管内流动阻力的影响，针对Re=100情况下计算了N=2、3、4、5时，管内混合元件长度范围内压力降。其相应关系如图5所示。

由图5可以看出，在低雷诺数下，随着叶片数量的增多，压力降逐渐增大，呈现线性曲线匀速增长规律。N=4、N=5时的压力降分别为N=2时的2.1倍、2.7倍。分析这种现象的原因是流体在低流速下流动，管内叶片数量增多，流体流动面积减小，流速增大且与叶片表面或壁面均匀摩擦，流动阻力逐渐增大。

2.2.2  高雷诺数下叶片数量对流动阻力的影响

在Re=3 000条件下，计算了不同叶片数量时管内压力降，绘制了压力降随叶片数量变化的曲线图，如图6所示。

由图6可以看出，在高雷诺数下，随着叶片数量的增大，压力降也随之增大，但增加的相对幅度先匀速，后变小;在叶片数量N=2～4范围内，其压力降变化呈线性增长的趋势，N=4时的压力降为N=2时的1.6倍，比Re=100的增长速度低;在叶片数量N=4～5范围内，其压力降呈非线性增长的趋势，增长速度明显减缓，N=5时的压力降为N=2时的1.73倍。照此趋势发展下去，叶片数继续增加，对流体流动阻力的影响作用将一直弱化。这种现象的原因是管内流体惯性力大于元件表面摩擦力，使大部分流体沿着轴向流动。

3  结  论

对于多个扭旋元件结构，不同雷诺数下流动特性的分析，以螺旋流场分析、压力降作为评价指标。

1） 从流场分析上来看：流体在扭旋元件长度范围内，在扭旋元件的诱导下绕叶片中心做螺旋流动。随着叶片数量的增多，管内螺旋涡的数量也随之增多。无论处于低雷诺数还是高雷诺数下，增加叶片数量强化了径向流动。

2） 从流动阻力分析上来看：低雷诺数时，随着N的增加压力降数值线性增长;高雷诺数时，随着N的增加压力降数值非线性增长，当叶片数增加到5后，压力降增长速度明显减慢。

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