袁繼成 王然風(fēng) 高立志 黃光平

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

基于FLUENT的乳化液配比攪拌器的選擇與研究

袁繼成 王然風(fēng) 高立志 黃光平

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

針對(duì)乳化液混合不均勻?qū)е聺舛葌鞲衅魇?zhǔn)以及濃度過(guò)高或過(guò)低的乳化液輸送到工作面引起液壓設(shè)備損壞等問(wèn)題,對(duì)乳化液均勻混合起關(guān)鍵作用的攪拌器進(jìn)行了選擇與研究。在FLUENT平臺(tái)對(duì)三種現(xiàn)有的攪拌器在配比裝置中的混合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析得出了有利于乳化液混合的攪拌器類型,為其在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)與選用提供依據(jù)。

乳化液混合 數(shù)值模擬 渦輪攪拌器 攪拌效果

乳化液作為煤礦支護(hù)設(shè)備的工作介質(zhì),其濃度值合適與否將直接影響支護(hù)設(shè)備的壽命和性能,因此,乳化液配比過(guò)程必須嚴(yán)格控制乳化液的濃度。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)乳化液濃度的在線檢測(cè)方法都是基于乳化液混合均勻的前提下實(shí)現(xiàn)的,主要包括超聲衰減法、超聲聲速法、紅外透光法、折光法以及光纖光柵傳感法等等,然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于乳化液混合不均勻使得濃度傳感器存在測(cè)量失準(zhǔn)的問(wèn)題,這將嚴(yán)重影響乳化液配比的準(zhǔn)確性。

支架用乳化液是一種典型的水包油型(O/W)乳化液,在攪拌器的高剪切作用下,使得乳化油以極小的油滴形式均勻的分散在與之不相溶的水相中,攪拌器性能的好壞將直接影響乳化液混合的均勻情況。本文以現(xiàn)場(chǎng)常使用的3種類型的攪拌器為研究對(duì)象,對(duì)它們?cè)谌榛号浔妊b置內(nèi)的混合特性進(jìn)行模擬,對(duì)其在工業(yè)上的設(shè)計(jì)和選取提供可靠的依據(jù)。

1 乳化液配比裝置模型的建立

1.1 建立幾何模型

由于井下巷道寬度和高度的限制,故將配比裝置設(shè)計(jì)為立方體,乳化液配比裝置底面為2.4 m ×1.4 m的長(zhǎng)方形,高度為1.3 m,配液時(shí)液面高度為1.0 m。選用的攪拌器的攪拌槳直徑為0.6 m,離底面高度為0.3 m。乳化液配比裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,3種攪拌器攪拌槳結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.2 模型網(wǎng)格劃分

由于加入乳化油后箱體內(nèi)的濃度場(chǎng)不對(duì)稱,因此選用整個(gè)箱體作為分析的計(jì)算域。網(wǎng)格劃分在前處理軟件Gambit中進(jìn)行,采用非結(jié)構(gòu)化與結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的混合網(wǎng)格創(chuàng)建技術(shù),運(yùn)動(dòng)的槳葉區(qū)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,為了增強(qiáng)其計(jì)算精度,對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,箱體的其他區(qū)域通過(guò)合理的分區(qū)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖1 乳化液配比裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 3種攪拌器攪拌槳結(jié)構(gòu)示意圖

2 模擬策略

2.1 模擬方法

乳化油和水為兩種互不相溶的液體,乳化油和水的混合屬于兩相流的范疇,故需引入兩相流模型。本次研究采用VOF模型,VOF函數(shù)定義為計(jì)算流場(chǎng)中每個(gè)單元中目標(biāo)相的體積與單元體積的比值——即計(jì)算單元中目標(biāo)相的容積比率。通過(guò)觀測(cè)目標(biāo)相的容積比的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化油和水混合情況的追蹤。

攪拌器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高剪切力能夠有效地促進(jìn)乳化油和水的混合,而攪拌混合模擬的難點(diǎn)在于怎樣處理好運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的壁面間的相互作用,就此很多專家學(xué)者提出了不同的解決方法,其中能最準(zhǔn)確描述流場(chǎng)的方法為滑移網(wǎng)格法(SG)和多重參考系法(MRF)。由于運(yùn)用MRF法與運(yùn)用SG法得到的計(jì)算結(jié)果基本相同,但是在計(jì)算量上MRF法遠(yuǎn)小于SG法,故本次研究采用MRF法進(jìn)行模擬。攪拌槳葉和附近流體區(qū)域使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,其他區(qū)域使用靜止坐標(biāo)系,在交界面上通過(guò)插值方式來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域信息的匹配和交換,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

2.2 模擬參數(shù)和條件

乳化油和水混合采用兩相流,連續(xù)相為水相,離散相為乳化油ME25-5。該乳化油和水混合形成的乳化液粒子直徑在10 nm左右,屬于微乳液的范疇。Schulman和Prince提出加入助表面活性劑使得產(chǎn)生混合吸附形成微乳液,油水界面張力迅速降低達(dá)10-6～10-8N/m,故模擬時(shí)油水間的界面張力設(shè)置為10-6N/m。模擬計(jì)算中參數(shù)設(shè)置值見(jiàn)表1。

表1 模擬計(jì)算中參數(shù)設(shè)置值

乳化液濃度隨時(shí)間的變化屬于非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題,本文模擬在非穩(wěn)態(tài)下同時(shí)求解動(dòng)量方程和體積比函數(shù)。加油點(diǎn)的位置為F1(600,-200,0),在此處加入3%的乳化油,即設(shè)置此區(qū)域乳化油的初始濃度為1,其他區(qū)域濃度為0。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)的選取很重要,時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大將導(dǎo)致計(jì)算不收斂,攪拌模擬過(guò)程時(shí)間步長(zhǎng)一般選擇小于轉(zhuǎn)速倒數(shù)的1/10,本次模擬攪拌槳以轉(zhuǎn)速為120 r/min逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),因此為了計(jì)算的準(zhǔn)確性,采用固定的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 湍流強(qiáng)度對(duì)比分析

湍流強(qiáng)度是判斷混合效果的重要指標(biāo),湍流強(qiáng)度等于速度波動(dòng)的均方根與平均速度的比值。攪拌混合過(guò)程中,槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高速液流通過(guò)低速或是靜止的流體時(shí),在高低速流體交界面上的流體會(huì)受到強(qiáng)烈的剪切作用,進(jìn)而會(huì)有大量漩渦生成。而湍流運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)正是流體的漩渦運(yùn)動(dòng),漩渦向外擴(kuò)散時(shí),將更多的流體卷入高速流動(dòng)的液流中的同時(shí)也使得局部范圍內(nèi)的物料形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng),因此攪拌湍流強(qiáng)度越大且越均勻,物料混合速率越快,混合效果也越好。3種攪拌器在不同的截面高度(y＝-450～450 mm,間隔50 mm)的加權(quán)平均湍流強(qiáng)度對(duì)比圖如圖3所示。

圖3 3種攪拌器截面湍流強(qiáng)度對(duì)比圖

由圖3可以看出,圓盤(pán)式四直葉渦輪攪拌器在槳葉及其以下的區(qū)域的湍流強(qiáng)度大于其他兩種攪拌器,而在槳葉以上的區(qū)域湍流強(qiáng)度小于其他兩種攪拌器。這主要是直葉槳的特性造成的,直葉槳攪拌形成徑向流,從槳葉徑向射出的液流碰撞到箱體壁面后,才能形成軸向的循環(huán)流動(dòng),而圓盤(pán)式45°渦輪攪拌器和開(kāi)式45°渦輪攪拌器屬于混流式攪拌器,能同時(shí)形成軸向流和徑向流,即在徑向排出的同時(shí)形成軸向的循環(huán)流動(dòng)。從圖3中可以看出,3種攪拌器中開(kāi)式45°渦輪攪拌器各個(gè)截面在保持高湍流度的同時(shí)湍流強(qiáng)度的均勻性最好。

3.2 混合時(shí)間的對(duì)比分析

混合時(shí)間是指采用機(jī)械攪拌的方式把物理或化學(xué)性質(zhì)不同的兩類液體進(jìn)行均勻混合的時(shí)間,模擬計(jì)算時(shí)一般把目標(biāo)相濃度與設(shè)定濃度C的誤差到達(dá)±5%以內(nèi)的時(shí)間作為混合時(shí)間。選取位于槳葉上截面、槳葉面和槳葉下截面的乳化油濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表2,加油點(diǎn)設(shè)為F1對(duì)濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的乳化油濃度變化曲線如圖4所示。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 3種攪拌器監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度變化曲線

從圖4(a)可以看出,圓盤(pán)式四直葉渦輪攪拌器槳葉上截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混合時(shí)間遠(yuǎn)大于槳葉面和槳葉下截面,這主要是由于直葉槳為徑向流動(dòng),碰壁后形成軸向循環(huán)流動(dòng),而速度最小的循環(huán)中心的位置位于槳葉以上的區(qū)域。從圖4(b)和(c)可以看出,圓盤(pán)式45°渦輪攪拌器和開(kāi)式45°渦輪攪拌器在槳葉面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混合時(shí)間大于槳葉上、下截面,這主要是由于斜葉攪拌器為混合流動(dòng),在徑向流動(dòng)的同時(shí)形成軸向流動(dòng),進(jìn)而在碰壁之前就會(huì)形成整體的軸向循環(huán),而速度最小的循環(huán)中心的位置位于槳葉附近的區(qū)域。從圖4可以看出,開(kāi)式45°渦輪攪拌器整體的混合時(shí)間最少,這與前面討論的其湍流強(qiáng)度均勻性最好得到的結(jié)果相一致。監(jiān)測(cè)點(diǎn)只能粗略地描述混合時(shí)間,通過(guò)對(duì)整體濃度場(chǎng)的監(jiān)視能準(zhǔn)確地確定混合時(shí)間。3種攪拌器混合完成濃度云圖如圖5所示。

圖5 3種攪拌器混合完成濃度云圖

3.3 單位體積混合能對(duì)比分析

乳化油和水混合均勻的整個(gè)過(guò)程常用單位體積混合能Wu來(lái)表示混合效率,它是單位體積攪拌功率Pu與混合時(shí)間t的乘積：

式中：Wu——單位體積混合能,kJ·m-3;

Pu——單位體積攪拌功率,W·m-3;

t——混合時(shí)間,s;

P——攪拌功率,W;

V——箱體有效體積,m3;

M——扭矩,N·m;

ω——角速度,rad/s;

N——轉(zhuǎn)速,rpm。

將模擬得到的扭矩和混合時(shí)間帶入上述公式,得到的3種攪拌器混合消耗見(jiàn)表3。

表3 3種攪拌器混合消耗

從表3可以看出,圓盤(pán)式四直葉渦輪攪拌器的單位體積攪拌功率和混合能遠(yuǎn)大于圓盤(pán)式45°渦輪攪拌器和開(kāi)式45°渦輪攪拌器的單位體積攪拌功率和混合能,而開(kāi)式45°渦輪攪拌器的單位體積攪拌功率和混合能略小于圓盤(pán)式45°渦輪攪拌器。

4 結(jié)論

(1)混合過(guò)程中,圓盤(pán)式四直葉渦輪攪拌器的局部湍流強(qiáng)度大于開(kāi)式45°渦輪攪拌器和圓盤(pán)式45°渦輪攪拌器。但從整體上看,開(kāi)式45°渦輪攪拌器湍流強(qiáng)度的均勻性最好,圓盤(pán)四直葉渦輪攪拌器的湍流強(qiáng)度均勻性最差。

(2)通過(guò)對(duì)攪拌完成混合時(shí)間的監(jiān)測(cè)可以看出,開(kāi)式45°渦輪攪拌器的混合時(shí)間最短(77.55 s),圓盤(pán)式45°渦輪攪拌器次之(90.31 s),圓盤(pán)式四直葉渦輪攪拌器混合時(shí)間最長(zhǎng)(139.07 s)。

(3)在乳化油與水混合均勻的過(guò)程中,開(kāi)式45°渦輪攪拌器單位體積消耗的功率和混合能量最少,圓盤(pán)式四直葉渦輪攪拌器單位體積消耗的功率和混合能量最多。

通過(guò)分析可以得出,開(kāi)式45°渦輪攪拌器在乳化液混合過(guò)程中相較于其他兩種攪拌器存在明顯優(yōu)勢(shì),在混合快速和均勻性好的同時(shí)大大減少了能量消耗,這正好滿足現(xiàn)今煤礦對(duì)乳化液配比快速性和準(zhǔn)確性的要求,因此,乳化液配比應(yīng)選用開(kāi)式45°渦輪攪拌器進(jìn)行混合。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Selection and research on emulsion compounding agitator based on FLUENT

Yuan Jicheng,Wang Ranfeng,Gao Lizhi,Huang Guangping
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Aiming at the inaccuraey problem of concentration sensor caused by uneven emulsion and the hydraulic equipment trouble caused by emulsion with too high or too low concentration,the agitator that played a vital role in uniform mixing of emulsion was selected and studied.Based on FLUENT platform,the numerical simulation on mixing processes of three kinds of agitators in compounding device was carried out,which analyzed and obtained the better agitator type in emulsion mixing,and provide the basis for its design and selection in industrial application.

emulsion mixing,numerical simulation,turbine agitator,agitating effect

TD403

A

袁繼成(1996-),男,江西豐城人,太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀研究生,主要研究方向?yàn)槊旱V機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)以及流體分析。