魏一方，雷玉瑩

1.海軍研究院特種勤務(wù)研究所，北京，102400，2.海裝駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海，200001

0 引言

液液混合技術(shù)在精細(xì)化工、冶金工業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)保工業(yè)、生物工程等領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用。兩種或多種液體通過(guò)混合，改變?cè)械奈锢砘蚧瘜W(xué)性質(zhì)，以滿足生產(chǎn)和使用需要。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，液液混合技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用領(lǐng)域，目前常用的強(qiáng)化混合方法有攪拌混合、噴射流混合、撞擊流混合、靜態(tài)混合、動(dòng)態(tài)混合等。特別是近些年計(jì)算機(jī)流體力學(xué)和人工智能的應(yīng)用，使液液混合過(guò)程的研究更加直觀和有說(shuō)服力。本文針對(duì)多種強(qiáng)化混合技術(shù)在研究方面取得的成果進(jìn)行綜述，分析各種技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)如何在噴氣燃料在線添加防冰劑過(guò)程中應(yīng)用流體強(qiáng)化混合技術(shù)，提出自己的建議，為下一步的計(jì)算機(jī)仿真分析及工業(yè)化應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 液液混合機(jī)理

液液混合過(guò)程主要依賴(lài)于層流混合和湍流混合。粘度較大的液體間的混合一般是通常為層流混合，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中涉及的液體物料粘度大多比較低，在混合過(guò)程中多通過(guò)湍流混合實(shí)現(xiàn)。湍流的混合機(jī)理相對(duì)層流更為復(fù)雜，當(dāng)兩束液體混合時(shí)，可根據(jù)渦旋的大小分為宏觀混合、介觀混合和微觀混合，從運(yùn)動(dòng)方式上看，可對(duì)應(yīng)為主體對(duì)流、渦旋運(yùn)動(dòng)和分子擴(kuò)散。流體在湍流的拉伸、剪切作用下，通過(guò)互換位置進(jìn)行物質(zhì)傳遞，三種混合隨著渦旋的變形、分割依次進(jìn)行，但在一定程度上也是在同時(shí)進(jìn)行，直到渦旋微團(tuán)尺寸足夠小時(shí)，分子間的擴(kuò)散使混合物在分子水平上達(dá)到高度的均一性[1]。依據(jù)Fick定律t～d2/D，兩種混合流體處于同一通道內(nèi)時(shí)，由于分子擴(kuò)散的路徑被大大縮短，依靠分子自身的擴(kuò)散就可以實(shí)現(xiàn)快速均勻的混合[2]。而渦旋形成的時(shí)間一般大于分子擴(kuò)散需要的時(shí)間，所以渦旋形成的快慢一般決定了混合的效率。

2 強(qiáng)化混合技術(shù)

2.1 攪拌混合技術(shù)

傳統(tǒng)攪拌混合方式分為機(jī)械攪拌和氣流攪拌，氣流攪拌由于攪拌能力較弱，通常只應(yīng)用于低粘度物料攪拌混合。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用機(jī)械攪拌的方法，約有85%的液液混合是通過(guò)機(jī)械攪拌的方式完成，機(jī)械攪拌設(shè)備主要由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。攪拌釜設(shè)計(jì)屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在攪拌釜機(jī)械設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)方面，趙述芳[3]等人采用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)姜黃納米顆粒制備過(guò)程中的使用的攪拌釜的尺寸、攪拌形式、攪拌轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行深入研究，劉凱[4]利用CFD技術(shù)證明了六折葉攪拌槳攪拌效果明顯優(yōu)于六直葉攪拌槳，李冰[5]等人探究了剛?cè)峤M合的攪拌槳葉結(jié)構(gòu)變化對(duì)攪拌效果的影響，張曉雨[6]等人對(duì)六斜葉、六直葉、Rushton渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬研究，蔣宇健[7]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了攪拌槳距變化對(duì)攪拌效果的影響。劉昭良等[8]人研究了雙旋渦輪葉片數(shù)、葉片及中心軸開(kāi)孔等因素對(duì)混合過(guò)程中流場(chǎng)的影響Zhuan[9]、Li[10]等人設(shè)計(jì)了新型雙旋流攪拌器和十字環(huán)面槳式混合器，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于攪拌過(guò)程中的流體運(yùn)動(dòng)方面，陶保林[11]、楊義[12]、熊仲營(yíng)[13]、Hadane[14]等通過(guò)計(jì)算流體技術(shù)模擬了磷酸攪拌過(guò)程中固-液兩相流場(chǎng)特點(diǎn)、固體顆粒分散方式、攪拌功率等，賈慧靈[15]等通過(guò)仿真研究了錐盤(pán)底固液混合時(shí)的液體濃度場(chǎng)分布，李希銘[16]等人在顆粒動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上模擬了帶檔板的圓盤(pán)渦輪槳式攪拌器內(nèi)的固液流動(dòng)。除此之外，趙洋[17]對(duì)新型攪拌技術(shù)中的氣流攪拌進(jìn)行了探索。攪拌混合技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展在工藝上有很大的改進(jìn)，但自身依然存在軸封泄露、混合死區(qū)、混合均勻度不夠、不能連續(xù)化生產(chǎn)等問(wèn)題。

2.2 噴射流混合技術(shù)

射流混合技術(shù)最早由Fossett和Prosser[18]提出，經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，已成為工業(yè)生產(chǎn)中液液混合的常用技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)噴射器將一種液體流以一定角度高速?lài)娚涞搅硪环N相對(duì)流速較慢的流體中進(jìn)入混合室，由于兩種液體間的速度和壓力差，兩種液體進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量及能量交換，實(shí)現(xiàn)液液混合，隨后混合流隨主流體一同流動(dòng)實(shí)現(xiàn)混合。目前隨著現(xiàn)代計(jì)算流體技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)射流噴射混合技術(shù)開(kāi)展了大量研究，主要集中在噴射器設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化、射流混合時(shí)間。陶海[19]等人通過(guò)設(shè)計(jì)的強(qiáng)化輻射床式環(huán)流噴射反應(yīng)器，運(yùn)用二維粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)研究了噴射器內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、流體的速度、動(dòng)能、渦量等參數(shù)，考察了噴射器出口結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)器流體性能的影響。林柯利[20]等采用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了噴射流混合過(guò)程中不同操作條件對(duì)混合效果的影響，畢榮山[21]等建立了液液宏觀混合和微觀混合模型，對(duì)噴射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，利用兩環(huán)境矩直接積分模型，研究了噴射器內(nèi)液液平行-競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系。Coldrey[22]的研究表明射流通過(guò)側(cè)面斜入射能夠減少混合時(shí)間，并證明了混合時(shí)間與噴射口的射流雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。Patwardhan[23]等用電導(dǎo)法研究了噴嘴直徑、噴嘴處入射速度及角度等對(duì)射流攪拌混合時(shí)間的影響。Wang[24]等設(shè)計(jì)了新型同軸相對(duì)射流混合器，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了其內(nèi)部的流體流動(dòng)及混合特性。Manjula[25]等用電導(dǎo)法研究了兩個(gè)射流噴嘴存在同時(shí)噴射的情況下，噴嘴的相對(duì)位置和角度與混合時(shí)間的關(guān)系。Zughbi等[26]對(duì)混合過(guò)程中不同射流位置分布進(jìn)行研究，射流攪拌槽內(nèi)射流。利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了非對(duì)稱(chēng)射流在混合效果方面比對(duì)稱(chēng)射流更好。射流混合技術(shù)由于需要將液體進(jìn)行高速?lài)娚?，在能量消耗方面較大，在大流量液體噴射時(shí)的混合噴射效率會(huì)影響到混合時(shí)間，同時(shí)在遠(yuǎn)程控制方面其反應(yīng)速度會(huì)明顯低于電路中的電子器件，并且容易堵塞，所以應(yīng)用場(chǎng)景具有一定的局限性。

2.3 靜態(tài)混合技術(shù)

靜態(tài)混合器主要依靠自身的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)液液混合，如今在工業(yè)化生產(chǎn)方面也應(yīng)用十分廣泛，可滿足多種不同相流體之間的混合。主要混合思想是“分割-位移-匯合”，在位移、變形過(guò)程中出現(xiàn)湍流時(shí)，斷面還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦流，對(duì)流體進(jìn)行分割，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充分混合。靜態(tài)混合器最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，國(guó)外開(kāi)始出現(xiàn)Kenics、Sulzer、Ross、Hi等型號(hào)靜態(tài)混合器，從80年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)并于90年代制定出標(biāo)準(zhǔn)的SK型、SV型、SX型、SH型、SL型5種類(lèi)型的混合器。其中應(yīng)用最廣泛的是SK、SV型，SK型更是工業(yè)界認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)混合器。目前，對(duì)靜態(tài)混合器中液液分散的研究主要集中在分散混合性能方面。龔斌等[27]、張春梅等[28]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，計(jì)算了靜態(tài)混合器中流體在層流流動(dòng)狀態(tài)和湍流流動(dòng)狀態(tài)下受到的阻力，并擬合出流體阻力理論計(jì)算方程。王修剛[29]、Jianhua W[30]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬的方法研究了靜態(tài)混合器中液液在層流和湍流狀況下的分散過(guò)程。高祖昌[31]等設(shè)計(jì)了四旋混合器，從結(jié)構(gòu)上對(duì)SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行了優(yōu)化，提升了混合效果。趙建華[32]等利用粒子映像測(cè)速（PIV）技術(shù)測(cè)量了靜態(tài)混合器出口處的流場(chǎng)分布,同時(shí)與計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，張鴻雁[33]等通過(guò)大渦旋模擬方法對(duì)比了3種具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜態(tài)混合起的混合效果，研究了混合過(guò)程中流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布，李治建[34]等設(shè)計(jì)了一種靜態(tài)混合裝置，通過(guò)Polyflow對(duì)SK、SX型靜態(tài)混合器中聚乳酸熔體的流量壓降、溫度場(chǎng)分布、混合場(chǎng)粒子軌跡、剪切速率、剪切應(yīng)力等進(jìn)行研究，研究了混合原件數(shù)量對(duì)混合性能的影響。王宗勇[35]等通過(guò)研究多流道螺旋混合器在層流狀態(tài)下的液體混合特性和混合效果，發(fā)現(xiàn)通道的增加能夠提高管道中流體的混合均勻程度。張呂鴻[36]等將SX型和SK 型混合器二者結(jié)合設(shè)計(jì)出一種新型混合器，通過(guò)高黏度液體混合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該混合器的性能，能夠很好的滿足工業(yè)混合應(yīng)用要求。谷王[37]對(duì)傳統(tǒng)SK 型靜態(tài)混合器進(jìn)行了改良，在混合器內(nèi)部螺旋片上增加了縫隙，實(shí)驗(yàn)證明縫隙能夠增加流體在軸向和徑向方向的混合，提高了混合效率并降低耗能，具有一定應(yīng)用價(jià)值。靜態(tài)混合器具有設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、耗能少等特點(diǎn)，但也存在著內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有固體產(chǎn)物產(chǎn)生時(shí)，容易造成堵塞，清理困難的問(wèn)題。

2.4 動(dòng)態(tài)混合技術(shù)

動(dòng)態(tài)混合是指在混合過(guò)程中，流體和混合部件都處在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。動(dòng)態(tài)混合器一般是在殼體或管道內(nèi)安裝運(yùn)動(dòng)部件，相比于靜態(tài)混合器，動(dòng)態(tài)混合部件由于其本身的運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)其中的流體進(jìn)行更頻繁的切割、分流、擠壓等作用，使流體的流動(dòng)情況更加復(fù)雜，達(dá)到液液快速混合效果，特別是對(duì)高粘度物料的混合效果更好。動(dòng)態(tài)混合器的設(shè)計(jì)沒(méi)有固定形式，所以目前大多數(shù)研究集中在不同類(lèi)型運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)及混合效果的研究。劉嬌[38]在組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱理論基礎(chǔ)上，對(duì)混合器轉(zhuǎn)子排列方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬仿真研究了低流阻和螺旋階梯轉(zhuǎn)子的最佳組合方式，討論了轉(zhuǎn)子偏心程度對(duì)混合特性的影響。張文強(qiáng)[39]研究了球穴交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)混合部件在熔體直紡中的應(yīng)用，模擬仿真了動(dòng)態(tài)混合過(guò)程中的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化，楊優(yōu)生[40]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了固液混合中過(guò)程中隨動(dòng)式動(dòng)態(tài)混合器的混合特性，對(duì)不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子、不同流體流速、不同兩相流交匯方式對(duì)混合效果的影響進(jìn)行了分析。彭世金[41]等設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)態(tài)混合器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了其中的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪在動(dòng)態(tài)混合過(guò)程中會(huì)使流體產(chǎn)生更加復(fù)雜的流動(dòng)和渦旋，相對(duì)于傳統(tǒng)混合器具有更好的混合效果。鄭勐[42]等設(shè)計(jì)出一種帶有16個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)態(tài)混合轉(zhuǎn)子，用于混合澆筑行業(yè)的動(dòng)態(tài)混合器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該混合器在混合環(huán)氧樹(shù)脂與甲基納迪克酸酐溶液中有很好的混合效果。動(dòng)態(tài)混合器以其優(yōu)秀的混合效率與混合效果成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)，但動(dòng)態(tài)混合器現(xiàn)在還缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用方面還需要進(jìn)一步探索，同時(shí)其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了其制作成本相對(duì)較高。

3 噴氣燃料防冰劑添加現(xiàn)狀

噴氣燃料中的防冰劑通過(guò)結(jié)合燃料中的水分，防止在低溫環(huán)境下燃料中水分析出結(jié)成冰晶，堵塞飛機(jī)燃料系統(tǒng)，避免安全事故的發(fā)生。然而在噴氣燃料運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用過(guò)程中，難免會(huì)從環(huán)境中吸入一定的水分，水含量的增加會(huì)中和噴氣燃料中的防冰劑，導(dǎo)致其含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，降低油料的品質(zhì)。當(dāng)噴氣燃料中防冰劑含量不達(dá)標(biāo)時(shí)，需進(jìn)行一定比例的補(bǔ)加。

目前防冰劑補(bǔ)加的方法主要是針對(duì)儲(chǔ)存罐中的噴氣燃料進(jìn)行離線補(bǔ)加，一種方法是在流動(dòng)噴氣燃料中直接接入對(duì)應(yīng)比例的防冰劑，依靠液體的流動(dòng)和循環(huán)完成混合，另一種是首先將防冰劑和部分噴氣燃料通過(guò)攪拌形成母液，再通過(guò)接入噴氣燃料管道中進(jìn)行循環(huán)，最終完成混合。未來(lái)為實(shí)現(xiàn)噴氣燃料防冰劑在線加注技術(shù)，必須要解決傳統(tǒng)補(bǔ)加混合方式中遇到的混合效率低、混合效果較差、混合時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。

4 展望

根據(jù)強(qiáng)化混合技術(shù)的研究現(xiàn)狀，未來(lái)研究可選擇多種強(qiáng)化混合技術(shù)結(jié)合的方式來(lái)提升噴氣燃料與防冰劑的混合特性。防冰劑在噴氣燃料中的含量要求一般控制在0.1%～0.2%之間，可以看出需混合的兩種液體的量相差較大，首先可選擇射流混合技術(shù)，將防冰劑噴射到一定量的噴氣燃料之中形成母液，完成防冰劑在母液中的初次混合，隨后利用動(dòng)態(tài)混合器，將噴氣燃料母液與主管道相連，實(shí)現(xiàn)噴氣燃料與防冰劑的再次混合，這樣通過(guò)兩次強(qiáng)化混合可以使防冰劑分子更快地?cái)U(kuò)散到噴氣燃料中，提高混合質(zhì)量。在整體研究過(guò)程中應(yīng)通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)仿真的方法，充分研究噴射流和動(dòng)態(tài)混合過(guò)程中混合流的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，通過(guò)對(duì)噴射器、動(dòng)態(tài)混合轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)整和優(yōu)化混合過(guò)程中各有關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)裝置混合特性的提升。