來永斌 楊敏官 高 波

(江蘇大學能源與動力工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

板式螺旋槳攪拌槽內(nèi)的流場及其流動特性

來永斌 楊敏官 高 波

(江蘇大學能源與動力工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

以板式螺旋槳葉輪為例,采用相位多普勒粒子分析儀測量了直徑為 300 mm的平底圓筒攪拌槽內(nèi)的流場;分析了時均速度、脈動速度及湍流動能的分布,以及葉輪離底間隙變化和擋板對流場的影響。結(jié)果表明:隨離底間隙增大,葉輪區(qū)脈動速度和湍流動能增大,時均速度和脈動速度最大值位置向槽中心方向移動;主循環(huán)區(qū)軸向速度最大值隨離底間隙增大而減小;葉輪區(qū)湍流動能較高,隨離底間隙增大,湍流動能最大值增大,位置靠近葉輪端部;擋板阻礙槽內(nèi)切向流動,影響湍流動能的分布,擋板前流場反映了葉輪區(qū)的湍流動能分布。

攪拌槽 板式螺旋槳 流場 相位多普勒粒子分析儀 流動性能

軸流槳攪拌槽在化工、制藥、冶金等過程中應用廣泛,研究其內(nèi)部流動特性對工藝設(shè)計、優(yōu)化和攪拌裝置的機械設(shè)計均具有指導意義。國內(nèi)外研究人員采用了激光多普勒測速儀 (LDA)、三維粒子動態(tài)分析儀 (PDA)、粒子圖像測速儀 (P IV)等研究了軸流式攪拌器的湍流運動特性[1-5]。

在軸流槳攪拌槽內(nèi),由于擋板的作用,攪拌器產(chǎn)生的切向流轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流,增強了槽內(nèi)液體的軸向循環(huán)流動,從而使混合效果大大增強。作者采用相位多普勒粒子分析儀 (PDPA)測量板式螺旋槳攪拌槽內(nèi)擋板前流場,對其流動特性進行研究,并考察葉輪離底間隙變化和擋板對流場速度和湍流動能的影響;為攪拌槽內(nèi)的混合性能研究及工業(yè)放大設(shè)計、流場的數(shù)值模擬提供參考。

1 實驗

1.1 實驗裝置

用于測試的攪拌槽裝置如圖 1所示。攪拌槽為平底圓筒形,直徑 (T)為 300 mm,槽壁均布 4塊擋板,擋板寬度 (B)為 0.1 T。為了盡量消除攪拌槽圓柱面對激光聚焦的影響,攪拌槽置于一個方形槽內(nèi)。實驗介質(zhì)為自來水,溫度約 20℃。圓形及方形槽采用透明有機玻璃制作,內(nèi)部液面高度 (H)一致,等于T。攪拌裝置由變頻調(diào)速三相異步電機通過機架、聯(lián)軸器帶動攪拌軸和攪拌槳旋轉(zhuǎn),攪拌轉(zhuǎn)速 (N)為 200 r/min,由變頻器控制。裝置采用三窄葉整體板式螺旋槳攪拌器(ZHX),如圖 2所示,直徑 (D)為 150 mm,槳葉B為 30 mm,槳葉厚度 (δ)為 2 mm。攪拌器離底間隙距離 (C)為T/4或T/3,由升降裝置調(diào)節(jié)。

圖 1 攪拌槽示意Fig.1 Schematic diagram of stirred tank

圖 2 ZHX攪拌器結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of ZHX stirrer structure

1.2 測試方法

PDPA是一種無干擾的流場速度測試儀器,具有不干擾流場、測量精度高、動態(tài)響應快、分辨率高等優(yōu)點。實驗采用的 PDPA由丹麥 Damtec公司制造,為雙探頭模式,發(fā)射與接收探頭分開,入射光垂直于槽壁并對準攪拌軸,接收模式為前側(cè)向接收。攪拌槽底平面中心為圓柱坐標系原點,沿軸向 (z)均布 24個測試層,沿徑向 (r)每層均布 19個點。由于擋板妨礙了激光的入射,將攪拌槽順時針轉(zhuǎn)過 5°的軸面作為測量平面。為滿足攪拌槽內(nèi)測量要求,消除攪拌槽內(nèi)周期脈動的影響,速度測量的平均采樣時間為 20 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 時均速度分布

2.1.1 葉輪區(qū)和葉輪排出流區(qū)

由圖 3可看出,葉輪區(qū)為主要加速區(qū),由于葉輪的旋轉(zhuǎn),流體從槳葉上端面吸入,在槳葉區(qū)被加速后,從槳葉下端面高速排出。槳葉上端面軸向速度 (W)明顯小于下端面W,2倍徑向距離與攪拌器直徑之比 (2r/D)小于 0.7時,W分布較平坦,當 2r/D大于 0.7以后,快速減小。

螺旋槳產(chǎn)生的高速軸向流動的W分布與環(huán)形射流速度分布類似,隨r增大,W逐漸增大,在2r/D達到 0.8后,W迅速減小,造成葉輪端部附近速度梯度較大。在槳葉下端面附近,W的分布相似,隨軸向高度 (z/T)的進一步減小,W沿軸向衰減加快,最大軸向速度位置向 2r/D增大的方向移動。葉輪C分別為T/4和T/3時,葉輪區(qū)最大軸向速度值(WD-max)都為葉端線速度 (Vtip)的 0.39倍,但最大軸向速度位置不同,2r/D分別為 0.8和 0.7。這與文獻 [1-3]報道結(jié)果有差異,主要是因為測量所用槳型和測量位置不同。

圖 3 葉輪區(qū)和葉輪排出流區(qū)軸向速度的徑向分布Fig.3 Radial profiles of dimensionless axial velocity in impeller region and impeller discharge region C/T為 1/3。

由圖 4可看出,槳葉上端面切向速度 (U)分布較平坦,平均值在 0.05Vtip以下,遠小于槳葉下端面的U,因此,葉輪排出流的旋轉(zhuǎn)程度比吸入流強。在葉輪以下,隨r的增大,U快速增長,在葉端附近達到極大值,隨后快速衰減。同時,隨離底高度的減小,U沿軸向衰減,衰減速率比軸向速度衰減速率大。葉輪C分別為T/4和T/3時,最大切向速度值 (Ud-max)都為 0.28Vtip,位置靠近葉輪端部,2r/D分別為 0.9和 0.8。

圖 4 葉輪區(qū)和葉輪排出流區(qū)切向速度的徑向分布Fig.4 Radial profiles of dimensionless tangential velocity in impeller region and impeller discharge region C/T為 1/4。

由圖 3和圖 4可見,實驗條件下的離底間隙變化對葉輪區(qū)時均速度最大值沒有影響,但是時均速度最大值所處位置變化,隨C/T的增大,最大值位置向攪拌槽中心方向移動。

2.1.2 主循環(huán)區(qū)

由圖 5可看出,隨z/T的增大,軸向速度衰減,槽上部軸向速度 (W)分布較平坦,速度值小于 0.1Vtip,形成混合弱區(qū)。在不同z/T位置,W沿徑向分布具有相似性。隨徑向距離的減小,W呈現(xiàn)衰減趨勢,在一定的位置流動反向,速度呈現(xiàn)增大趨勢。隨z/T的增大,軸向流動轉(zhuǎn)向點向槽中心方向移動,這是由于向上軸向流與周圍流體間存在剪切層,形成對周圍流體的卷吸,造成邊界不斷擴展。同時,軸向速度剖面的最大值位置偏離槽壁,這是由于隨z/T的增大,壁面邊界層厚度不斷地增大。同此可見,向上軸向流速度分布與壁面射流速度分布類似。C為T/4和T/3時,主循環(huán)區(qū)向上流軸向最大速度(Wu-max)分別為 0.36,0.31Vtip。隨C/T增大,Wu-max/Vtip減小,這是由于葉輪排出流轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏陷S向流的行程增大,動量損失增大。這與文獻[2]結(jié)果相近。

圖 5 主循環(huán)區(qū)軸向速度的徑向分布Fig.5 Radial profiles of dimensionless axial velocity in bulk flow C/T為 1/4。

當C為T/4和C為T/3兩種工況下,軸向流動轉(zhuǎn)向點位置的變化趨勢一致。在z/T小于 0.3時,轉(zhuǎn)向點位置變動很小。在 0.8>z/T>0.3范圍,轉(zhuǎn)向點位置隨z/T的增大呈現(xiàn)線性擴展趨勢,向 2r/D減小的方向移動。z/T大于 0.8以后,轉(zhuǎn)向點的位置變動不大。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,向上軸向流邊界線性擴展方程可表示為:

由圖 6可知,隨z/T的增大,U減小。由于擋板的存在,切向流動的橫斷面積減小,擋板外緣的U有所增大,造成從葉輪端部到擋板外緣之間的U分布相對平坦,當 2r/D大于 1.5,U快速減小。與文獻[2-3]結(jié)果不同,在兩擋板中間平面的測量結(jié)果表明,U從葉輪端部到擋板外緣是快速減小的。由于流體與擋板的撞擊,在擋板范圍內(nèi)切向流動產(chǎn)生反向,但速度很小。

圖 6 主循環(huán)區(qū)切向速度的徑向分布Fig.6 Radial profiles of dimensionless tangential velocity in bulk flow C/T為 1/4。

2.2 脈動速度分布

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知,葉輪排出流區(qū)的脈動速度值明顯高于主循環(huán)區(qū),葉輪區(qū)和葉輪排出流區(qū)流體流動的湍流強度較大。葉輪下端面附近W和U的脈動值接近,徑向分布相似,隨徑向位置變化較大,最大脈動速度值靠近葉輪端部。這是因為槳葉的尾渦和葉輪排出流的卷吸,造成葉輪端部附近流動較紊亂,速度脈動較大。隨C的減小,脈動速度減小,沿徑向的變化減小。C為T/4時,軸向脈動速度最大值和切向脈動速度最大值分別為 0.16Vtip,0.18Vtip,位置都在 2r/D為 1.0處;C為T/3時,最大值分別為 0.18Vtip,0.20Vtip,位置都在 2r/D為 0.9處?？梢?葉輪C的變化影響脈動速度的數(shù)值,C/T增大,葉輪區(qū)脈動速度相應增大,且最大值位置向攪拌槽中心方向移動。

主循環(huán)區(qū)的動速度較小,且隨z/T的增大而減小,擋板以外軸向和切向脈動速度接近。由于擋板的阻礙作用,擋板前的切向脈動速度變小,在靠近擋板外緣 (2r/D為 1.5附近)出現(xiàn)切向脈動速度的驟減,擋板范圍以內(nèi)的切向速度脈動很小。

2.3 湍流動能分布

由于實驗數(shù)據(jù)只有切向和軸向速度分量,故采用局部各向同性假設(shè),式 (2)簡化為:

公式(3)計算結(jié)果的可靠性已被眾多研究者驗證[6-7]。根據(jù)公式 (3),槽內(nèi)k分布如圖 7所示。

圖 7 湍流動能的徑向分布Fig.7 Radial profiles of dimensionless turbulent kinetic energy C/T為 1/3。

主循環(huán)區(qū)k相對較小,隨z/T的增大,k減小且分布趨于平坦,在靠近擋板外緣的k下降很快,擋板范圍內(nèi)k較小,這是擋板對湍流抑制作用的結(jié)果。

高湍流動能區(qū)集中在葉輪下方區(qū)域,湍流動能最大值 (kmax)位置靠近葉輪端部的 2r/D為0.9處。C為T/4和T/3時,kmax分別為 0.038,0.055。這比文獻[1-2]的結(jié)果要大,產(chǎn)生差異的原因是測量位置不同,文獻 [1-2]的測量位置為相鄰兩擋板中間平面,這說明擋板對葉輪區(qū)和葉輪排出流區(qū)的流場有影響。結(jié)果表明在兩擋板中間面進行測量,流場湍流動能會被低估,不能反映真實的湍流動能分布情況。

湍流動能耗散率是湍流動能粘性耗散的平均速率,與k3/2成比例,因此k的變化部分地反映了湍流動能耗散率的變化。湍流動能耗散率的大小表明攪拌槽內(nèi)混合的程度,特別是對宏觀混合起決定作用,湍流動能耗散率越大,混合效果越好。因此,攪拌過程中的進料操作,在擋板前平面的葉輪高度位置能獲得更好的混合效果。

3 結(jié)論

a.在葉輪區(qū),實驗條件下的C/T變化對時均速度最大值沒有影響。隨C/T的增大,葉輪區(qū)脈動速度增大,時均速度和脈動速度的最大值位置都向攪拌槽中心方向移動。

b.在主循環(huán)區(qū),隨z/T的增大,向上軸向流邊界線性擴展,軸向速度最大值隨C/T的增大而減小。由于擋板的阻礙,擋板范圍以內(nèi)的切向速度及其脈動速度較小。

c.葉輪區(qū)湍流動能較高,隨C/T的增大,湍流動能最大值增大,位置靠近葉輪端部。擋板對葉輪區(qū)流場有影響,擋板前流場真實地反映了葉輪區(qū)的湍流動能分布。

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Flow field and its flowability in a stirred tank with a plate propeller

Lai Yongbi,YangMinguan,Gao Bo
(School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang212013)

The flow field produced by a plate propeller in a fully baffled flat bottomed cylindrical stirred tank with the diameter of 300 mm wasmeasured using phase doppler particle analyzer.The radial distributions of the time-averaged,fluctuation velocity and turbulent kinetic energywere analyzed.The effectsof off-bottom clearance and baffle on the flow fieldwere investigated.The results showed that the fluctuation velocity and turbulent kinetic energy increased with increasing off-bottom clearance in the impeller region;meanwhile,the maximum values of the time-averaged and fluctuation velocity moved to the center of the stirred tank.The maximum axial velocity decreased with increasing off-bottom clearance in the bulk flow.The turbulent kinetic energy was higher in the impeller region.The max imum value of the turbulent kinetic energy increased with increasing off-bottom clearance and occured near the end of the impeller.The baffle hindered the tangential velocity and exerted strong influence on the turbulent kinetic energy.The flow field in front of the baffle reflected the distribution of the turbulent kinetic energy in the impeller region.

stirred tank;plate propeller;flow field;phase doppler particle analyzer;flowability

TQ051.7 文獻識別碼:A

1001-0041(2010)02-0060-04

2009-06-19;修改稿收到日期:2010-01-19。

來永斌 (1970—),男,博士研究生。主要從事攪拌設(shè)備內(nèi)部流場的研究。

國家自然科學基金資助項目 (50776040)。