鄭所生 黃瑤 鄒鯤 彭倚天

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620)

刮膜蒸發(fā)器是通過(guò)旋轉(zhuǎn)刮板強(qiáng)制成膜,可實(shí)現(xiàn)高黏度非牛頓流體類物料平穩(wěn)蒸發(fā)的新型高效蒸發(fā)器.蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動(dòng)、分布與傳輸機(jī)制直接決定了蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率與功耗.不同于現(xiàn)有研究主要基于牛頓流體開(kāi)展,本文針對(duì)不同黏度的非牛頓流體,建立蒸發(fā)器三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型,系統(tǒng)研究了蒸發(fā)器內(nèi)的流場(chǎng)分布特性和成膜機(jī)理.結(jié)果表明:低黏非牛頓流體的流場(chǎng)分布特性和牛頓流體類似,物料可在壁面形成均勻且連續(xù)的液膜;隨著黏度的增加,液膜的均勻性和連續(xù)性逐漸變差.通過(guò)對(duì)流場(chǎng)分布與傳輸形式的研究,結(jié)合液膜分布、速度分布、剪應(yīng)變率分布,以及黏度分布進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)形成的剪切場(chǎng)與黏度分布是蒸發(fā)器良好成膜的關(guān)鍵.此外,提出對(duì)刮板前緣進(jìn)行彎折可輔助高黏流體液膜鋪展,并對(duì)最佳彎折角度進(jìn)行探索.本研究為刮膜蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)與依據(jù).

1 引言

刮板薄膜蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、紡織等行業(yè)[1],用于濃縮原料溶液,實(shí)現(xiàn)溶劑的完全回收.作為一種新型高效蒸發(fā)器,其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,轉(zhuǎn)軸以固定的角速度旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)刮板將物料刮成厚薄均勻的液膜,從而為黏性流體提供更高的傳熱傳質(zhì)速率,適用于熱敏性、高黏度及易結(jié)晶物料加工.

自20 世紀(jì)40 年代薄膜蒸發(fā)器問(wèn)世以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其流動(dòng)機(jī)理、傳熱傳質(zhì)、性能及制造應(yīng)用等進(jìn)行了大量研究[2,3].其中,蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動(dòng)、分布與傳輸機(jī)制直接決定了蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率與功耗,因此流體流動(dòng)問(wèn)題是受到研究者們關(guān)注最多的課題之一.Mutzenburg[4]闡述了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動(dòng)型態(tài).如圖1(b)所示,流動(dòng)可視為由刮板引起的切向流與重力引起的軸向流動(dòng)的組合,產(chǎn)生三個(gè)不同區(qū)域的復(fù)雜流型:刮板前緣形成圈形波,此部分流體呈螺旋狀向下流動(dòng);刮板后緣附近形成紊流液膜;紊流液膜與下一個(gè)圈形波之間由于刮板作用的消失形成層流液膜.Mckelvey 和Sharps[5]認(rèn)為圈形波的流動(dòng)是理解整個(gè)攪拌薄膜流動(dòng)的關(guān)鍵.對(duì)于高黏流體,薄膜依靠自身重力流動(dòng)很慢,使用刮板后,形成圈形波,一方面起均布液膜的作用;另一方面,圈形波與液膜相遇并劇烈混合,促進(jìn)了物質(zhì)交換.Komori 等[6-8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn),直列刮板薄膜蒸發(fā)器內(nèi)圈形波流動(dòng)的液體占總流量的60%以上,圈形波與液膜流體之間的混合受到嚴(yán)重抑制.

圖1 (a)刮板薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖;(b)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流動(dòng)示意圖[4]Fig.1.(a) Schematic of agitated thin film evaporator (ATFE);(b) scheme of fluid flow process in ATFE[4].

上述研究通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,但都存在較大的限制.例如由于流場(chǎng)問(wèn)題的復(fù)雜性,既無(wú)法作分析求解,也因費(fèi)用昂貴而無(wú)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定.而計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)的方法具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)[9],在相關(guān)研究中顯示出巨大活力.研究[10-13]主要集中于流動(dòng)結(jié)構(gòu)及混合機(jī)理、液膜厚度和流速、液體滯留量、停留時(shí)間分布等,并關(guān)注蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)它們的影響,對(duì)薄膜蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供了較好的支撐.令人關(guān)注的是,CFD 仿真所用流場(chǎng)模型經(jīng)歷了不斷完善,進(jìn)一步推進(jìn)了流場(chǎng)仿真的真實(shí)性和可信度.較早的文獻(xiàn)[10]建立的簡(jiǎn)單二維流場(chǎng)模型,完全沒(méi)有考慮軸向的信息;文獻(xiàn)[11,12]中基于液膜流態(tài),把復(fù)雜的圈形波流動(dòng)簡(jiǎn)化為與刮板成 45°角的三角形區(qū),建立了三維模型,但該模型預(yù)定義了流場(chǎng)區(qū)域且未考慮氣相,無(wú)法完整體現(xiàn)出氣液兩相自由界面的動(dòng)態(tài)分布情況;文獻(xiàn)[13]中對(duì)三維薄膜蒸發(fā)器進(jìn)行了CFD 模擬,綜合考慮蒸發(fā)器內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng),驗(yàn)證了圈形波沿蒸發(fā)器內(nèi)壁螺旋傳播,發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)變率和動(dòng)能耗散在刮板和內(nèi)壁之間的間隙處是顯著的.

值得注意的是,上述研究中選取的物料多為牛頓型流體,且黏度集中在10 Pa·s 內(nèi),關(guān)于高黏度非牛頓型物料在此類蒸發(fā)器內(nèi)的仿真研究至今鮮見(jiàn)報(bào)道,僅有少量實(shí)驗(yàn)研究[14].而在薄膜蒸發(fā)器中加工的物料,如藥物、食品、聚合物、樹(shù)脂等,大多數(shù)都是非牛頓型流體.相比于牛頓流體,非牛頓流體的黏度范圍更廣,從10—3Pa·s (類似水的黏度)至104Pa·s 甚至更高,且黏度隨剪應(yīng)變率變化.由此可見(jiàn),探究非牛頓流體在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場(chǎng)分布及成因是非常有意義的.本文基于三維兩相流場(chǎng)模型,初步研究了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同黏度非牛頓型物料的流場(chǎng)分布特性,進(jìn)一步探索了液膜形成機(jī)理,以期為此類蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供可靠的依據(jù).

2 物理數(shù)學(xué)模型

2.1 模型建立

本文選用CFD 軟件ANSYS Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬.圖2(a)為數(shù)值模型的計(jì)算域示意圖,模型尺寸參數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚6].其中,蒸發(fā)器的直徑為250 mm,刮板與蒸發(fā)壁面的間距為1 mm,刮板厚度為3 mm,長(zhǎng)度為150 mm.計(jì)算區(qū)域有限元網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分.因?yàn)檎舭l(fā)器內(nèi)流場(chǎng)主要為分布在壁面的液膜和刮板前緣的圈形波,所以在壁面及刮板頂端附近的剪切層進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密,如圖2(b)所示.經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析,當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)為16044396,最小網(wǎng)格尺寸為0.2 mm 時(shí),誤差最小,模擬效果最好.

圖2 (a)計(jì)算幾何模型;(b)網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2.(a) Geometry used for simulation;(b) meshing for the geometry (cross section view).

本次模擬計(jì)算過(guò)程中,選擇壓力-速度耦合算法,基于壓力求解器進(jìn)行求解.為簡(jiǎn)化計(jì)算,特假設(shè)流體在流動(dòng)時(shí)為不可壓縮流體,并忽略傳熱傳質(zhì).綜合考慮蒸發(fā)器內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng),采用流體體積函數(shù)法(VOF 法)來(lái)追蹤氣液相界面.初始條件下,蒸發(fā)器內(nèi)充滿氣體,物料以一定質(zhì)量流率0.1 kg/s 從入口處均勻進(jìn)入蒸發(fā)器,出口處與大氣連通,邊界條件為壓力出口邊界,壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;通過(guò)單運(yùn)動(dòng)參考系模型實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其中流體域以恒定轉(zhuǎn)速90 r/min 旋轉(zhuǎn),刮板相對(duì)流體域的速度為0,壁面設(shè)置絕對(duì)速度為0.

薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流型復(fù)雜,由于刮板的作用物料整體呈湍流狀態(tài)[4].對(duì)于湍流不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)的一般情況,我們考慮旋轉(zhuǎn)參照系中的動(dòng)量和連續(xù)性方程[15,16],可寫為

其中U是流體速度矢量,p和ρ是流體的壓力和密度,μ是物料表觀黏度,k是湍動(dòng)能,Ω是刮板旋轉(zhuǎn)的角速度矢量,I是恒等張量.

使用現(xiàn)代足夠低耗散的SSTk-ω湍流模型(Menter 的剪應(yīng)力傳輸模型[17])封閉動(dòng)量方程,該模型增加了湍動(dòng)能k和比耗散率ω的輸運(yùn)方程.為保證計(jì)算精度,采用高精度離散格式對(duì)各變量進(jìn)行離散,二階迎風(fēng)算法求解動(dòng)量方程,其余保持默認(rèn)設(shè)置.

2.2 模擬介質(zhì)

薄膜蒸發(fā)器作為一種高效蒸發(fā)設(shè)備,處理的流體多數(shù)為非牛頓流體且所適用黏度范圍廣.非牛頓流體的黏度μ是剪應(yīng)變率S的非線性函數(shù).由于非牛頓流體中動(dòng)量方程的閉合問(wèn)題,有必要用數(shù)學(xué)模型描述流變行為.在本研究中,使用了兩種模型描述三種不同黏度的非牛頓假塑性流體料液:羧甲基纖維素鈉(carboxymethyl cellulose,CMC)溶液和聚酯溶液采用冪律模型[18-20],纖維素溶液采用Carreau 模型[21],相關(guān)參數(shù)如表1 所示.

表1 模擬介質(zhì)參數(shù)表Table 1.Physical properties of materials used for simulation.

冪律模型方程如下:

其中n為非牛頓指數(shù),kμ為稠度系數(shù).為避免求解方程時(shí)出現(xiàn)數(shù)學(xué)問(wèn)題,模型設(shè)置了低剪應(yīng)變率和高低剪應(yīng)變率下的黏度極限μo和μ∞:

Carreau 模型在黏度曲線的過(guò)渡區(qū)表現(xiàn)更好,并直接引入了黏度的數(shù)值極限:

式中Γ為松弛時(shí)間.

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性,采用文獻(xiàn)[6]的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,模擬介質(zhì)為牛頓流體,黏度為2.67 Pa·s.將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證.圖3(a)展示了流場(chǎng)的一個(gè)截面圖.圖中顯示的是流體體積分?jǐn)?shù)分布圖,紅色為1 代表液體,藍(lán)色為0 代表氣體,中間呈逐漸過(guò)渡色.圖3(b)是圖3(a)中黑色虛線框內(nèi)的細(xì)節(jié)展示.可以看到,物料在刮板前形成圈形波,在刮板和壁面間隙形成均勻液膜,平均膜厚統(tǒng)計(jì)數(shù)值(0.62 mm)在誤差允許范圍內(nèi).本文模型得到的流體的速度分布如圖3(d)所示,對(duì)比發(fā)現(xiàn)其與圖3(c)中Komori等[6]得到的速度分布趨勢(shì)基本一致.綜上所述,本文的模擬結(jié)果與之前的研究結(jié)果相吻合,初步證明本文的模型正確.

圖3 (a)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場(chǎng)截面圖;(b)液膜和圈形波局部顯示圖;(c) Komori 模型圈形波流體速度矢量圖[6] ;(d)仿真圈形波流體速度矢量圖Fig.3.(a) Flow distribution in ATFE (cross section);(b) film and fillet distribution in ATFE (cross section);(c) velocity vectors in the fillet (Komori model) [6];(d) velocity vectors in the fillet(simulation result).

3 結(jié)果分析與討論

3.1 流場(chǎng)分布

圖4(a)描繪了三種物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場(chǎng)分布情況.結(jié)果表明,當(dāng)物料黏度較低時(shí),薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流場(chǎng)分布特性與前述低黏度牛頓流體類似.可以清楚地看到,由于旋轉(zhuǎn)刮板的作用,物料在刮板前緣形成圈形波并螺旋向下輸運(yùn),蒸發(fā)器內(nèi)壁面上形成了均勻連續(xù)的液膜.我們注意到,在進(jìn)料階段,圈形波的尺寸并不是很規(guī)整,隨著軸向輸運(yùn)的進(jìn)行,圈形波趨于收斂成規(guī)則形狀.當(dāng)零切黏度達(dá)到100 Pa·s 時(shí),可以觀察到壁面上的液膜均勻性有所變差,壁面液膜出現(xiàn)了不平整和少許破裂.黏度更大時(shí),壁面上出現(xiàn)不連續(xù)的帶狀液膜.比較圖4(b)三種物料的速度矢量圖可知,三者分布趨勢(shì)較為一致,均在圈形波內(nèi)形成旋渦.靠近薄膜處的圈形波內(nèi)流線與薄膜流體流線方向一致,此處的圈形波流體會(huì)被帶入到薄膜流體中發(fā)生混合.由此可推斷,圈形波內(nèi)流體與薄膜內(nèi)流體存在相互交換.但從圖中可以看到此處存在氣體擾動(dòng),一定程度會(huì)抑制兩者的物質(zhì)交換.此外,料液黏度影響圈形波尺寸和速度大小,對(duì)高黏度料液,圈形波尺寸增大,截面內(nèi)相對(duì)速度減小,圈形波流體與薄膜的物質(zhì)交換降低.

圖4 (a)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同黏度物料下流場(chǎng)分布圖;(b)不同黏度物料下流體速度矢量圖Fig.4.(a) Three-dimensional flow field distribution in ATFE for different feed materials;(b) velocity vectors in the fillet for different feed materials.

為了更清晰地分析流場(chǎng)分布特性,對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì).由圖5(a)可知,隨著黏度的增加,壁面處液膜的厚度有所降低,方差隨之增大,這意味著液膜的均勻性變差了.圖5(b)統(tǒng)計(jì)了蒸發(fā)器內(nèi)物料滯留量等數(shù)值,滯留量是指正在操作的蒸發(fā)器中液體體積.結(jié)果表明,滯留量隨著黏度增大而增加,這與牛頓流體下的結(jié)論是類似的[6].分析可知,液膜厚度變化帶來(lái)的蒸發(fā)器內(nèi)流體體積的變化是極小的,滯留量的增加主要是圈形波體積增大造成的,可以看到圈形波的直徑隨物料黏度增加而大大增加了.薄膜區(qū)域是蒸發(fā)器內(nèi)流體傳質(zhì)傳熱進(jìn)行的主要區(qū)域,液膜厚度和均勻性在很大程度上影響傳質(zhì)傳熱過(guò)程,圈形波流體占比過(guò)高和液膜均勻性的變差對(duì)于物料蒸發(fā)濃縮來(lái)說(shuō)是相對(duì)不利的[6].

圖5 (a)不同黏度物料下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差統(tǒng)計(jì)圖;(b)不同黏度物料下蒸發(fā)器內(nèi)液體滯留量、液膜體積及圈形波直徑統(tǒng)計(jì)圖Fig.5.(a) Average film thickness and variance for different feed materials;(b) occupied volume、film volume and fillet diameter of the solution in the evaporator for different feed materials.

3.2 剪切場(chǎng)和黏度分布

剪應(yīng)變率在轉(zhuǎn)子葉片的機(jī)械設(shè)計(jì)中起主要作用,通過(guò)薄膜蒸發(fā)器加工非牛頓流體時(shí),必須進(jìn)行剪應(yīng)變率評(píng)估,以避免產(chǎn)品的質(zhì)量損失.本文利用Fluent 求解器研究了非牛頓流體在薄膜蒸發(fā)器中的剪應(yīng)變率分布.

應(yīng)變率張量Sij由下式給出[13]:

其中Ui和Uj是速度U的空間分量.這個(gè)張量有三個(gè)標(biāo)量不變量,其中一個(gè)通常簡(jiǎn)稱為剪應(yīng)變率:

對(duì)于速度分量Ux,Uy,Uz,該方程變?yōu)?

模擬得到的剪應(yīng)變率剖面如圖6(a)所示,紅色虛線框內(nèi)的剪應(yīng)變率分布展示在圖6(b)中,并沿徑向方向提取了刮板與壁面之間的剪應(yīng)變率值.結(jié)果與預(yù)測(cè)刮削幾何體中葉尖高剪應(yīng)變率的結(jié)果相似[13,22,23].刮板的存在使得在刮板尖端和壁面間產(chǎn)生高剪切力.從圖6(b)中發(fā)現(xiàn),在靠近刮板尖端處存在著大于間隙其他處約5—10 倍的剪應(yīng)變率.對(duì)比流場(chǎng)分布圖4(b)發(fā)現(xiàn),此處流體體積分?jǐn)?shù)介于氣體和液體間,呈黃綠色顯示,判斷為氣液交界面,發(fā)生了較大的剪切.間隙內(nèi)其他部分的剪應(yīng)變率沿半徑方向略有波動(dòng),該值可認(rèn)為是間隙內(nèi)的平均剪應(yīng)變率.研究發(fā)現(xiàn)三種物料下間隙內(nèi)平均剪應(yīng)變率差別不大,因?yàn)樵谡舭l(fā)器中剪應(yīng)變率主要是刮板轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度引起的.此外,在刮板的前緣,也就是形成圈形波的位置,剪應(yīng)變率是比較小的.

圖6 (a)蒸發(fā)器內(nèi)剪應(yīng)變率截面分布圖;(b)間隙內(nèi)剪應(yīng)變率統(tǒng)計(jì)圖Fig.6.(a) Strain rate distribution in ATFE(cross section);(b) strain rate at the clearance between scraper and inner wall in ATFE.

假塑性流體有著較強(qiáng)的剪切依賴性,表觀黏度隨剪應(yīng)變率的增大而降低.圖7 為流場(chǎng)的黏度分布情況,主要關(guān)注液膜和圈形波流體的黏度.首先,我們提取了刮板附近90°范圍內(nèi)液膜的黏度分布情況.圖7(b)是圖7(a)中提取的物料1 液膜黏度數(shù)值.在筒壁附近,由刮板產(chǎn)生的高剪應(yīng)變率使得物料完全稀化,此時(shí)料液的表觀黏度已接近恒定值.非牛頓指數(shù)是衡量非牛頓流體剪切稀化能力的重要參數(shù)[18].非牛頓指數(shù)小,流體剪切稀化能力強(qiáng),黏度隨剪應(yīng)變率增大下降快.如圖7(c)所示,雖然三種物料之間的零切黏度相差較大,但在相同工況下都達(dá)到了較好的剪切稀化效果,稀化后黏度較為接近.這正是由于三者中零切黏度大的物料,所對(duì)應(yīng)的非牛頓指數(shù)小,剪切稀化能力強(qiáng)所引起的.在這種情況下,刮板轉(zhuǎn)動(dòng)的拖拽力減小,而物料主要受到刮板轉(zhuǎn)動(dòng)的拖拽力作用和筒壁的黏附力作用,較小的拖拽力使得物料在壁面容易成膜.此外,對(duì)于剪切稀化流體,流體初始的高黏度狀態(tài)在剪應(yīng)變率減小甚至停止剪切時(shí)會(huì)恢復(fù).在本研究中表現(xiàn)為兩個(gè)刮板之間的位置的物料黏度有所恢復(fù),如圖7(b)所示.這種恢復(fù)持續(xù)的時(shí)間是極短的,下一個(gè)刮板再次刮蹭時(shí)薄膜流體會(huì)再次稀化.從圖7(c)可知,零切黏度高的物料,液膜流體剪切稀化恢復(fù)后的黏度大.物料2 與物料1 在蒸發(fā)器壁面都形成了完整的液膜,但物料2 形成的液膜均勻性差一些,正是由于這個(gè)原因造成的.而物料3 與物料1,2 相比,未能形成完整連續(xù)的液膜,還與圈形波流體與壁面接觸進(jìn)而稀化成膜的幾率有關(guān),這點(diǎn)將在后文中討論.這就需要通過(guò)刮板及時(shí)的刮膜作用,如增加足夠的刮板列數(shù),使料液總體上保持稀化下的低黏度狀態(tài),從而保證液膜的均勻性.由此可見(jiàn),刮板充當(dāng)混合器和成膜裝置,起著形成和均布液膜的作用,體現(xiàn)了刮板薄膜蒸發(fā)器的優(yōu)越性.

物料在刮板前緣形成圈形波,此處的剪應(yīng)變率值較小,相對(duì)應(yīng)的流體黏度相對(duì)較高.如圖7(d)所示,隨著零切黏度的增大,圈形波流體的黏度也進(jìn)一步增大,其軸向輸運(yùn)速度大大降低了,物料進(jìn)一步積聚成了尺寸更大的圈形波.我們提取了靠近壁面一側(cè)圈形波自由面的形貌圖,展示在圖8(a)中.不難發(fā)現(xiàn),隨著黏度的增加,圈形波尺寸增大,截面內(nèi)相對(duì)速度減小,表面還出現(xiàn)了明顯凹凸不平的現(xiàn)象.從圖8(b)中可知,圈形波表面的凸出部分流體在離心力的作用下更容易接觸到壁面進(jìn)而發(fā)生稀化,被刮成厚薄和寬度不一的絲帶狀液膜.隨著時(shí)間的積累,絲帶狀膜逐漸變寬變厚,可被刮板進(jìn)一步刮展成膜,在壁面上逐步形成均勻性和連續(xù)性較差的液膜分布,如圖8(c)所示.而對(duì)于低黏流體,圈形波的形狀較為規(guī)整且尺寸不大,在離心力作用下比較容易與壁面均勻接觸形成連續(xù)均勻的薄膜.綜上所述,蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)形成的剪切場(chǎng)與黏度分布是蒸發(fā)器內(nèi)非牛頓型物料良好成膜的關(guān)鍵.

圖7 (a)蒸發(fā)器內(nèi)物料1 表觀黏度截面分布圖;(b)蒸發(fā)器內(nèi)物料1 液膜流體表觀黏度統(tǒng)計(jì)圖;(c)不同物料下液膜黏度統(tǒng)計(jì)圖;(d)不同物料下圈形波流體黏度和軸向平均速度統(tǒng)計(jì)圖Fig.7.(a) Distribution filed of apparent viscosity in ATFE (cross section) (feed material one);(b) apparent viscosity of film (feed material one);(c) apparent viscosity of film for different feed materials;(d) apparent viscosity and axial velocity of film for different feed materials.

圖8 (a) 物料1,3 圈形波自由面局部顯示圖;(b) 刮板刮膜示意圖;(c) 蒸發(fā)器內(nèi)物料3 下流場(chǎng)演變過(guò)程圖Fig.8.(a) Detail distribution of fillet free surface (feed material one and three);(b) scraping diagram;(c) flow field evolution process diagram(feed material three).

3.3 刮板彎折角度的影響

前述研究中我們提到,當(dāng)黏度較高時(shí),圈形波的尺寸較大,需要更大的離心力迫使其刮向壁面,增加與壁面接觸進(jìn)而稀化成膜的幾率.在保證產(chǎn)能的情況下,我們可以通過(guò)增大轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)離心力的提升.針對(duì)物料3,我們開(kāi)展了相關(guān)研究,結(jié)果如圖9(a)所示.當(dāng)轉(zhuǎn)速低于90 r/min 時(shí),產(chǎn)生的剪應(yīng)變率不足以使近壁面位置流體完全稀化,且提供的離心力偏小,形成的液膜均勻性過(guò)差;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到90 r/min 及以上時(shí),近壁面位置流體由于已經(jīng)達(dá)到第二牛頓區(qū),剪切稀化作用受影響較小,離心力的增加使得膜厚的方差有所減小,液膜均勻性逐漸變好;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到130 r/min 以上時(shí),液膜的厚度和均勻性變化不大.但轉(zhuǎn)速的增加隨之帶來(lái)的是功率的增大,如圖9(b)所示,單純依靠轉(zhuǎn)速提高成膜特性的方法使得扭矩增加了近一倍,同時(shí)會(huì)給薄膜蒸發(fā)器這類大型設(shè)備帶來(lái)振動(dòng)等系列問(wèn)題.因此,在工程上優(yōu)先考慮改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì).

圖9 (a)物料3 下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差隨轉(zhuǎn)速變化統(tǒng)計(jì)圖;(b)物料3 下轉(zhuǎn)子扭矩隨轉(zhuǎn)速變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.9.(a) Average film thickness and variance for different rotation speed (feed material three);(b) the torque for different rotation speed (feed material three).

楔形潤(rùn)滑是工業(yè)中解決軸承摩擦問(wèn)題的一種典型應(yīng)用[24],楔形結(jié)構(gòu)會(huì)使介于固體界面間的流體膜內(nèi)產(chǎn)生壓力.本文考慮將刮板前緣做一彎折改進(jìn),如圖10(a)所示,彎折角度為Φ,以形成楔形結(jié)構(gòu).仿真結(jié)果如圖10(b)所示,結(jié)果表明,隨著彎折角度的增大,液膜的厚度有所增加,均勻性和連續(xù)性逐漸變好,當(dāng)彎折角度達(dá)到30°后,壁面已經(jīng)形成較為完整的液膜.

圖10 (a)刮板彎折示意圖;(b)物料3 下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.10.(a) Scheme of scraper angle;(b) average film thickness and variance for different scraper angle (feed material three).

提取了刮板前緣圈形波流體截面的平均壓力值和蒸發(fā)器轉(zhuǎn)子的扭矩值.如圖11(a)所示,隨著彎折角度的增加,壓力值在不斷增大,這給圈形波流體提供了除離心力外的另一作用力,從而迫使流體更好地被擠入刮板間隙實(shí)現(xiàn)刮膜.壓力的增大,意味著轉(zhuǎn)子所受的阻力也在增大,從而使得扭矩進(jìn)一步增大.當(dāng)彎折角度超過(guò)30°后,雖然液膜的均勻性幾乎不變,但轉(zhuǎn)子扭矩卻在進(jìn)一步提升.這一結(jié)果表明對(duì)于特定的工況,刮板存在著最佳彎折角度.為了進(jìn)一步探究該最佳彎折角度與轉(zhuǎn)速的依賴性,研究了不同轉(zhuǎn)速下的最佳彎折角度,詳細(xì)結(jié)果呈現(xiàn)在附錄A 中.當(dāng)轉(zhuǎn)速為90—110 r/min 時(shí),刮板的最佳彎折角度為30°;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí),最佳彎折角度為15°.圖11(b)描述了不同轉(zhuǎn)速和最佳彎折角度組合下轉(zhuǎn)子的扭矩?cái)?shù)值.結(jié)果表明,當(dāng)彎折角度為30°時(shí),轉(zhuǎn)子扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加不斷增大.但同時(shí)從圖11(c)中可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速增加使得蒸發(fā)器內(nèi)液膜體積占比有所提升,這對(duì)于物料加工相對(duì)來(lái)說(shuō)是相對(duì)有利的[6].當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min 及以上時(shí),雖然所需的彎折角度更小,但扭矩卻大于30°彎折角度的情況.在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際要求和能耗問(wèn)題綜合選擇.此外,美國(guó)SMS 公司最新設(shè)計(jì)的“Filmtruder”轉(zhuǎn)子蒸發(fā)器[25],在刮板前部做了彎折處理后,可處理高達(dá)15000 Pa·s 的非牛頓型物料,并且能夠得到更加均勻的液膜,但是用于處理高黏物料時(shí)極易產(chǎn)生圈形波.這一現(xiàn)象與我們的仿真結(jié)果是相吻合的.

圖11 (a)物料3 下物料所受壓力及轉(zhuǎn)子扭矩隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計(jì)圖;(b)物料3 下轉(zhuǎn)子扭矩隨轉(zhuǎn)速和最佳彎折角度變化統(tǒng)計(jì)圖;(c)物料3 下液膜體積占比隨轉(zhuǎn)速和最佳彎折角度變化統(tǒng)計(jì)圖;(d)物料3 下蒸發(fā)器內(nèi)液體滯留量及圈形波流體占比隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.11.For feed material three:(a) Pressure and torque for different scraper angle;(b) the torque with different rotation speed and optimal scraper angle;(c) film volume of the solution in the evaporator with different rotation speed and optimal scraper angle;(d) occupied volume and fillet volume of the solution in the evaporator for different scraper angle.

同時(shí),從圖11(d)中我們發(fā)現(xiàn),隨著彎折角度的增大,蒸發(fā)器內(nèi)液體滯留量和圈形波流體的占比不斷提升.包括前述提到的隨著黏度的提升也會(huì)造成圈形波流體占比增加的現(xiàn)象,這些對(duì)于物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的加工是不利的[6],需要及時(shí)地破壞圈形波.在關(guān)于牛頓流體下的研究[7,8,26]中也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象,人們通過(guò)設(shè)計(jì)刮板打斷、交錯(cuò)組合等手段來(lái)改善這一問(wèn)題.關(guān)于非牛頓流體下的此類問(wèn)題還有待探索,可通過(guò)流場(chǎng)仿真手段進(jìn)一步研究,進(jìn)而輔助蒸發(fā)器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化.

4 結(jié)論

本文基于Fluent 軟件,建立了蒸發(fā)器三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型,選取三種不同黏度的非牛頓流體進(jìn)行了仿真,獲得了非牛頓流體在蒸發(fā)器內(nèi)的流場(chǎng)分布特性,并進(jìn)一步分析探討了液膜形成機(jī)理,為刮膜蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)與依據(jù).

1) 低黏非牛頓流體的流場(chǎng)分布特性和牛頓流體類似,流體可在壁面形成均勻且連續(xù)的液膜;隨著黏度的增加,液膜的均勻性和連續(xù)性逐漸變差.

2) 蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)形成的剪切場(chǎng)與黏度分布是蒸發(fā)器內(nèi)非牛頓流體良好成膜的關(guān)鍵.流體在刮板前緣形成圈形波實(shí)現(xiàn)軸向傳輸,在刮板與壁面間隙內(nèi)受高剪應(yīng)變率作用發(fā)生稀化進(jìn)而被刮成薄膜.低黏度流體可較好實(shí)現(xiàn)圈形波與縫隙內(nèi)液膜之間的物質(zhì)交換;而隨著流體黏度的增加,圈形波內(nèi)流體黏度增大,其軸向傳輸速度降低,物料進(jìn)一步積聚,此時(shí)圈形波流體截面相對(duì)速度減小,表面出現(xiàn)凸凹不平現(xiàn)象,從而降低了其與壁面接觸進(jìn)而稀化成膜的幾率.同時(shí),高黏度流體稀化后恢復(fù)黏度較高,需要持續(xù)并及時(shí)進(jìn)行稀化以保證成膜的均勻性與完整性.

3) 刮板前緣進(jìn)行彎折可輔助高黏流體液膜鋪展,有效提升液膜均勻性與連續(xù)性.在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),當(dāng)彎折角度達(dá)到一定值后,液膜均勻性變化較小,但轉(zhuǎn)子扭矩卻在進(jìn)一步提升,故存在著最佳彎折角度.

附錄A

圖A1 不同轉(zhuǎn)速下蒸發(fā)器內(nèi)平均膜厚及方差、轉(zhuǎn)子扭矩隨刮板彎折角度變化統(tǒng)計(jì)圖 (a),(b) 90 r/min;(c),(d) 100 r/min;(e),(f) 110 r/min;(g),(h) 120 r/minFig.A1.Average film thickness and variance with different scraper angle for different rotation speed:(a),(b) 90 r/min;(c),(d) 100 r/min;(e),(f) 110 r/min;(g),(h) 120 r/min.