楊 飛，閆媛媛

（陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

靜態(tài)混合器是一種沒有內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，主要通過固定在流體通道內(nèi)的混合元件使流體達(dá)到良好的分散和充分混合的目的，近年來在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。本文以SK 型靜態(tài)混合器為例，利用Pro/e 對(duì)混合器進(jìn)行了參數(shù)化建模，再應(yīng)用ANSYS-CFX 對(duì)靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得出了其各切面的速度、溫度分布云圖，分析了靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流動(dòng)及混合特性，發(fā)現(xiàn)對(duì)于每個(gè)混合元件流體的平均徑向速度在其中間橫截面處達(dá)到最大值，流體的徑向旋轉(zhuǎn)方向與所在通道的混合元件螺旋方向相反，并對(duì)靜態(tài)混合器和空管混合器的傳熱性能進(jìn)行了模擬，從數(shù)值模擬的角度進(jìn)一步證實(shí)了靜態(tài)混合器的傳熱效果優(yōu)于空管混合器，為后續(xù)靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 應(yīng)用軟件簡(jiǎn)介

Pro/e 作為目前最普及的三維建模軟件之一，具有參數(shù)化設(shè)計(jì)和全關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)。它是一個(gè)集零件設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、模具開發(fā)、產(chǎn)品裝配、動(dòng)態(tài)仿真和有限元分析為一體的CAD/CAM 軟件。ANSYSCFX 作為CFD 技術(shù)的主要軟件之一，能夠?qū)Ω黝惲黧w流動(dòng)與傳熱、輻射、多項(xiàng)流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等問題進(jìn)行模擬求解，主要由前處理、求解和后處理三部分組成。ICEM 作為ANSYS-CFX 的前處理軟件，是一個(gè)具有高質(zhì)量網(wǎng)格劃分技術(shù)和廣泛CAD 接口的專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件。因此，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型就可以先通過Pro/e 進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到ICEM 和CFX 中劃分網(wǎng)格和求解。

2 靜態(tài)混合器的計(jì)算模型

2.1 湍流模型

雷諾應(yīng)力模型引入了應(yīng)力運(yùn)輸方程和耗散速率方程，計(jì)算精度高，但增加了方程數(shù)量，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高；而標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型較雷諾應(yīng)力模型求解的方程數(shù)量少計(jì)算機(jī)硬件要求低，而且能很好地解決實(shí)際的工程問題，故文中選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型并配合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。孟輝波等[2～3]專家采用同樣的湍流模型對(duì)混合器進(jìn)行了模擬，并取得了與實(shí)際吻合較好的結(jié)論。

2.2 控制方程

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱應(yīng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒和能量守恒三個(gè)基本控制方程，基于不可壓縮的牛頓型流體控制方程簡(jiǎn)化為以下形式[4]：

其中，p 是流體微元體上的壓力，Sc、Sv和Sw是動(dòng)量守恒方程廣義源項(xiàng)，ρ為密度，μ為動(dòng)力粘度，Cρ為比熱容，k 為傳熱系數(shù)；對(duì)于模型中的k 方程和ε方程及相關(guān)常數(shù)可參見文獻(xiàn)[4]。

2.3 幾何建模與網(wǎng)格劃分

幾何模型采用SK 型靜態(tài)混合器，其混合單元由扭成180o的左右旋葉片差開90o首尾相連構(gòu)成，基本尺寸為：D=15mm，L/D=2(其中D 為混合器直徑，L 為葉片長(zhǎng))。由于SK 型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故應(yīng)用專業(yè)的參數(shù)化建模軟件Pro/e 對(duì)混合器進(jìn)行了建模，如圖1 所示。模型建立完成后將其保存為通用的Parasolid 格式，然后導(dǎo)入到ICEM CFD 中劃分網(wǎng)格，利用自動(dòng)生成六面體網(wǎng)格劃分方法生成全局網(wǎng)格，另外為了得到更高質(zhì)量的網(wǎng)格，對(duì)葉片網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，混合器整體網(wǎng)格做了檢測(cè)和光順處理，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.6，圖2 為生成的網(wǎng)格模型。

圖1 混合器模型

圖2 網(wǎng)格模型

3 CFX 求解及結(jié)果分析

3.1 邊界條件

計(jì)算工質(zhì)為溫度15oC 和102oC 的純凈水進(jìn)行混合，密度為99kg·m-3，粘度為1.003mPa·s，重力忽略不計(jì)；計(jì)算中定義速度和溫度入口邊界條件，速度大小為1.2m·s-1；出口為壓力出口邊界條件，出口相對(duì)靜壓設(shè)為0Pa；混合器管壁和混合葉片壁面均采用無滑移光滑絕熱壁面邊界條件。

需要說明的是以上邊界是為研究混合器的流動(dòng)與混合特性設(shè)置的，在討論混合器傳熱性能時(shí)的邊界條件在3.3.2 節(jié)給出。

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流動(dòng)與混合特性

從圖3 看出，兩股流體以給定流速流入裝有螺旋混合單元的混合管，由于混合元件的作用，流體在混合管內(nèi)沿軸向向前流動(dòng)的同時(shí)被迫產(chǎn)生繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，合成為螺旋前進(jìn)方式，而且混合管內(nèi)流動(dòng)趨勢(shì)良好，無回流和短路現(xiàn)象。

圖3 混合器內(nèi)速度矢量圖

從圖4 看到，流體由一個(gè)葉片進(jìn)入下一個(gè)葉片時(shí)，上一個(gè)葉片將流體分割成兩股新流體，這兩股流體在進(jìn)入下個(gè)葉片時(shí)又被分割,再次形成兩股新流體，而且形成的每股新流體中都包含前兩股流體的一部分；當(dāng)流體流經(jīng)n個(gè)螺旋葉片時(shí)就被分割n 次，新舊流體混合2n次。正是由于這些作用，使混合器內(nèi)流體不斷發(fā)生分割、扭曲、分離和重組的運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到充分混合。

圖4 混合器相鄰兩葉片流體的速度矢量圖

圖5 靜態(tài)混合器混合過程溫度分布圖

圖5 為靜態(tài)混合器內(nèi)兩流體混合過程中不同橫截面的溫度分布圖，可以看出冷、熱流體在混合器內(nèi)迅速混合，溫度梯度減小很快，出口附近管內(nèi)流體平均溫度為57℃，說明混合效果很好。

為了分析徑向流動(dòng)情況，選取混合管內(nèi)第2、3、4 這3個(gè)連續(xù)葉片的橫截面，如圖6 所示。從圖中看出，流體產(chǎn)生由軸心向管壁的徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從流體流動(dòng)正方向看，相鄰葉片和單個(gè)葉片的非連續(xù)螺旋通道內(nèi)流體徑向的旋轉(zhuǎn)方向均呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則由流體速度場(chǎng)關(guān)于混合元件對(duì)稱分布可知相鄰葉片和單個(gè)葉片的連續(xù)螺旋通道內(nèi)流體徑向旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即流體的徑向旋轉(zhuǎn)方向與所在通道的混合元件螺旋方向相反。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在單個(gè)混合元件長(zhǎng)度上，流體的平均徑向速度先逐漸變大然后減小，且在混合元件L/2 長(zhǎng)處達(dá)到最大值(速度矢量的長(zhǎng)度表示速度大小)。

圖6 混合器不同橫截面的速度矢量圖

3.2.2 靜態(tài)混合器的傳熱特性

為研究混合器的傳熱特性，取一個(gè)與靜態(tài)混合管尺寸相同的空管混合器進(jìn)行對(duì)比分析，改變兩個(gè)管外壁為無滑移恒溫壁面邊界，溫度為400K（與管內(nèi)流體進(jìn)行對(duì)流傳熱）；流體介質(zhì)換為水（由于本段僅研究靜態(tài)混合器的傳熱性能，故選取一種流體進(jìn)行考慮），流體入口溫度為288K，比熱容4200J·(kg·K)-1，熱傳導(dǎo)率0.6W·(m·K)-1，入口流速和出口邊界保持不變，混合元件壁面邊界也固定不變，模擬結(jié)果及分析如下。

在流體的粘性阻力作用下，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)在貼近管壁處有一個(gè)邊界層，與管中央相比邊界層的流體流速要慢得多。對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流傳熱過程，邊界層決定著整個(gè)傳熱過程的熱阻[5]，這直接影響到對(duì)流傳熱的效果。從圖7 中可以看出，流體進(jìn)入空管混合器后溫度明顯分層，在管壁附近流體溫度逐漸由壁面溫度變化為來流溫度，形成了鮮明的溫度梯度，流體流動(dòng)過程中溫度梯度很難消除，流體與管壁的對(duì)流傳熱效果較差。

圖7 空管混合器沿軸向不同橫截面的溫度分布

而靜態(tài)混合器中由于混合元件的存在，內(nèi)部流體除了沿軸向的流動(dòng)外還存在徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使管心處的流體流向管壁，管壁的流體流向管中心，增強(qiáng)了管壁與管心流體的流動(dòng)，減小了邊界層，熱阻下降，并且在連續(xù)螺旋通道內(nèi)流體的徑向旋轉(zhuǎn)速度反向變化，強(qiáng)化了徑向傳熱；另外混合器內(nèi)流體每經(jīng)過一個(gè)混合葉片都會(huì)被切割、分散和扭曲，這使得混合管流體在流動(dòng)過程中速度反復(fù)發(fā)生變化，從而加強(qiáng)了混合管內(nèi)流體的湍流程度，有利于傳熱。從圖8可以看出靜態(tài)混合器管內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的邊界層，流體的徑向溫差很快消失，出口附近流體的溫度增大，傳熱量增多，換熱效果增強(qiáng)，并且靜態(tài)混合器內(nèi)流體的溫度分布相比空管混合器均勻了很多，說明靜態(tài)混合器的傳熱性能明顯優(yōu)于空管混合器。

圖8 靜態(tài)混合器沿軸向不同橫截面的溫度分布

4 總結(jié)

（1）計(jì)算結(jié)果表明運(yùn)用ANSYS-CFX 軟件對(duì)靜態(tài)混合器的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行模擬，計(jì)算效率高，計(jì)算結(jié)果符合工程需要。

（2）通過SK 型靜態(tài)混合器內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，在單個(gè)混合元件的L/2 長(zhǎng)處流體的平均徑向速度到達(dá)最大值，且流體的徑向旋轉(zhuǎn)方向與所在通道的混合元件螺旋方向相反；

（3）通過數(shù)值模擬進(jìn)一步證實(shí)了靜態(tài)混合器具有強(qiáng)化傳熱和均化管內(nèi)溫度場(chǎng)的效果，為混合器用于傳熱裝置提供理論依據(jù)。

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