肖志鵬 陶蘭蘭 陳 帥 周勇軍

（1.南京工業(yè)大學機械與動力工程學院；2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院國家化工設備質量監(jiān)督檢驗中心）

攪拌設備在化工生產中被廣泛應用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應及制備催化劑等方面，在高分子材料的工業(yè)生產中使用占比85%以上［1～3］。 攪拌流程作為丁苯橡膠生產過程中必不可少的部分， 直接影響到產品的生產率、質量、生產成本和功耗成本，因此研究其特定攪拌器攪拌釜內的流場特性對于丁苯橡膠生產工程實踐具有重要意義。

攪拌釜內流場的實驗研究常通過粒子圖像測 速（Particle Image Velocimetry，PIV） 技 術 進行［4～7］。 袁建平等通過PIV技術對四斜葉槳在介質為非牛頓流體攪拌槽內的流場流動狀況進行了實驗研究，結果表明攪拌轉速明顯影響槽內流場的流速分布、湍動能分布和渦量分布的位置和大?。?］。 周勇軍等利用PIV技術和CFD模擬對二斜葉框式組合槳攪拌槽內的流動特性進行研究，探討改進型框式組合槳的槳葉間距、離底距離、槳葉安裝角度對釜內流場的影響，得到攪拌效果最佳的使用工況［9］。 宮磊等通過數值模擬的方式將六斜葉槳和渦輪槳進行組合， 研究了4種攪拌組合槳分別對發(fā)酵罐內流場和攪拌混合時間產生的影響，得到了最佳的組合槳葉為六斜葉和渦輪槳的組合槳［10］。 LIU B Q等提出了一種內槳由四葉片渦輪槳和Rushton渦輪槳組成的新型同軸組合攪拌槳，研究得到攪拌釜內熱量傳遞效率隨著內部槳或外部槳速度的增加而逐漸提升［11］。 高勇等通過攪拌實驗的方式， 對比分析了六直葉圓盤-六葉上斜葉組合槳和拋物線型-六葉上斜葉組合槳， 可知拋物線型-六葉上斜葉組合槳的功耗較小，傳質效果更好［12］。 楊娟等用實驗的方法比較了向心槳、Rushton槳、 三斜葉槳分別作為上層槳的組合槳攪拌槽中流體的混合狀態(tài)， 結果表明Rushton槳-斜葉槳組合槳對攪拌槽內流體的擾動作用加強，使得攪拌槽內流體的湍流狀態(tài)增強［13］。 GE C Y等通過PIV技術測量和計算流體動力學模擬系統(tǒng)的研究了改進型斜葉片水輪機（m-PBT）下抽式葉輪的水動力特性，結果表明葉片形狀的一些簡單變化對速度分布有影響［14］。DOSTA＇L M等通過實驗研究了六斜葉和可調節(jié)間隙的多級攪拌槳在錐形封頭攪拌釜中的傳熱系數，并用該特征速度分析攪拌釜內壁面附近流體的努塞爾數［15］。 劉建新和徐彥采用階躍激發(fā)響應技術對裝有斜葉槳和渦輪槳的組合槳的反應器進行了實驗研究， 得到了當槳葉尖速度高于一個臨界值時，能夠提高整個攪拌釜產物的收率［16］。 孫先朋通過PIV技術對四斜葉槳攪拌釜內介質為非牛頓流體的流場進行了測量， 討論了不同溶液濃度的介質和不同轉速對攪拌釜內流場的影響［17］。 以上是裝配斜葉槳和斜葉組合槳釜內流場的相關研究文獻。 裝配帶穩(wěn)定翼的攪拌槳的優(yōu)點在相關文獻中也有報道。 楊飛燕等在軸流式攪拌槳安裝上穩(wěn)定翼并在穩(wěn)定翼上安裝了副葉，研究發(fā)現，在槳葉上安裝穩(wěn)定翼簡單方便，有效提高了攪拌槳葉的工作效率［18］。 吳學安發(fā)現穩(wěn)定翼結構能有效防止槳葉變形、 折斷等問題［19］。 苗維華和文琳研究發(fā)現CBY-D系列的DCS控制帶穩(wěn)定翼和副葉的軸流式攪拌槳，可有效解決高速運轉時攪拌裝置產生振動、 形成渦流或氣穴等問題［20］。

目前對涉及帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳攪拌釜內流場的研究鮮見報道，筆者通過對實際生產的丁苯橡膠反應釜及其帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳進行等比例縮小，得到對應實驗模型。 利用PIV實驗對不同轉速、槳葉間距和離底距離幾種工況條件下的釜內流場特性進行研究，以期為帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳反應釜的工程應用和設計提供參考。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

實驗過程中，為避免光的折射現象影響實驗結果的準確性，將攪拌釜放入儲水方槽。 儲水方槽由厚度25 mm的透明玻璃制成，其模型如圖1所示。 攪拌釜由透明樹脂玻璃和不銹鋼標準橢圓形封頭組成， 攪拌釜壁厚為6 mm，C1為組合槳的離底距離，C2為組合槳的槳葉間距。C1和C2隨不同的工況變化，攪拌釜的實驗模型如圖2所示，儲水方槽和攪拌釜的結構尺寸數據見表1。

圖1 儲方水槽模型

圖2 攪拌釜模型

表1 儲水方槽和攪拌釜的結構尺寸

實驗所用的帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳由實際工程設備等比例縮小得到，其上層槳為帶穩(wěn)定翼四斜葉槳，模型尺寸如圖3所示，下層槳為Rushton槳，模型尺寸如圖4所示。帶穩(wěn)定翼四斜葉槳由4個斜葉葉片、4個穩(wěn)定翼和輪轂制成， 穩(wěn)定翼通過六角螺母螺栓固定在斜葉片中心部分，輪轂的高h=40 mm。 輪轂與Rushton槳輪轂相同，斜葉片傾斜角度θ1=45°，平均分布，夾角θ2=90°，四斜葉槳通過帶穩(wěn)定翼四斜葉槳去掉固定于斜葉片上的穩(wěn)定翼葉片獲得，結構尺寸參考帶穩(wěn)定翼四斜葉槳。 Rushton槳由6個直葉片、1個圓盤和輪轂制成，圓盤位于直葉片豎直方向中心位置，垂直葉片圍繞圓盤平均分布，夾角θ3=60°，所有槳葉的葉片厚度均為t=2 mm。 其他尺寸見表2。

表2 帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳的尺寸 mm

圖3 帶穩(wěn)定翼四斜葉槳尺寸圖

圖4 Rushton槳尺寸圖

1.2 實驗方法

利用PIV系統(tǒng)對攪拌釜內的流場進行拍攝，PIV系統(tǒng)連接圖如圖5所示。 實驗平臺由攪拌控制實驗裝置和粒子成像測速裝置組成，PIV部分設備如圖6所示。

圖5 PIV系統(tǒng)連接圖

圖6 PIV部分設備

在攪拌釜中注入甘油和水溶液，加入示蹤粒子并攪拌均勻。 通過粘度計測得甘油-水溶液粘度為29.5 mPa·s，為避免發(fā)生折射現象，需要使方槽的液位與攪拌釜液位保持齊平。 打開雙脈沖激光器發(fā)射出兩條激光，在攪拌釜內形成兩塊明亮的示蹤粒子區(qū)域， 相機連續(xù)拍攝兩幀粒子圖像，從這兩張圖像中可以得到在0.001 s內示蹤粒子的位移，從而計算示蹤粒子的速度，本實驗每一工況下拍攝210組420張照片計算得到整個流場內的平均速度分布。 然后通過Tecplot軟件對實驗拍攝的結果進行處理，得到相應的速度云圖。

2 實驗結果與分析

2.1 轉速對釜內流場的影響

不同轉速下的速度云圖如圖7所示， 當轉速N=70 r/min時（圖7a），轉速較低，釜內z/h為0.82～0.92、r/T為0.14～0.20區(qū)域和z/h為0.20～0.24、r/T為0.30～0.36區(qū)域出現深藍色低速區(qū)域，表明釜內流場受槳葉傳遞能量較少， 釜內流體速度較低；當轉速提升至N=90 r/min時 （圖7b）， 在z/h為0.20～0.24、r/T為0.30～0.36區(qū)域的低速區(qū)域消失， 在釜內z/h 為0.46～0.54、r/T 為0.49～0.44 和z/h 為0.16～0.22、r/T為0.46～0.50等區(qū)域出現高速區(qū)域， 釜內流場速度分布有所改善；當轉速進一步提升至N=110 r/min時（圖7c），釜內高速區(qū)域向釜中心位置移動，由于高速區(qū)域位于攪拌釜中心位置，釜內速度分布較好，僅在釜內上部分區(qū)域出現了小部分的深藍色低速區(qū)域； 隨著轉速的進一步提升，當N=130 r/min時（圖7d），釜內上部深藍色低速區(qū)域進一步縮小但并未消失，釜內高速區(qū)域范圍有所增大，但釜內流場速度分布改善不大。 綜合以上分析，轉速N=110 r/min為最佳轉速工況。

圖7 4種不同轉速的速度云圖

2.2 槳葉間距對釜內流場的影響

不同槳葉間距下的速度云圖如圖8所示，圖8a為C2=0.20h時釜內流場的速度云圖， 在z/h為0.62～0.72、r/T為0.36～0.50區(qū)域內產生紅色較高速區(qū)域。而在攪拌釜上層的z/h為0.82～1.00區(qū)域內出現了多個深藍色低速區(qū)域，低速區(qū)域內易形成懸浮物。 同時上層槳的穩(wěn)定翼與Rushton槳距離較近， 造成了穩(wěn)定翼的切割作用， 阻擋了部分Rushton槳的射流作用， 在z/h為0.16～0.26、r/T為0.30～0.46區(qū)域產生了較低速區(qū)域，不利于攪拌混合。圖8b為C2=0.23h時釜內流場的速度云圖，此時在z/h為0.76～1.00區(qū)域內出現淺藍色較低速區(qū)域，高速區(qū)域向釜內移動更有利于釜內整體的混合和傳質。 在z/h為0.20～0.24、r/T為0.24～0.28區(qū)域產生了小部分的較低速區(qū)域， 相對于C2=0.20h時此區(qū)域范圍明顯減小，混合和傳質效果更佳。 圖8c為C2=0.26h時釜內流場的速度云圖， 釜內上層流場的低速區(qū)域消失，但在z/h為0.16～0.32區(qū)域內出現大部分深藍色低速區(qū)域，這對攪拌釜內的混合和傳質效果是不利的。 綜合以上分析，槳葉間距為C2=0.23h時最佳， 此時攪拌釜內混合和傳質的效果最好。

圖8 3種不同槳葉間距下的速度云圖

2.3 離底距離對釜內流場的影響

不同離底距離下的速度云圖如圖9所示，在圖9a中離底距離C1=0.19h，此時離底距離較小，攪拌釜上部分區(qū)域出現大范圍的淺藍色較低速區(qū)域， 且在z/h為0.76～0.90區(qū)域內出現了3個較大的深藍色低速區(qū)域，可見此時槳葉位置較低，對攪拌釜上部分區(qū)域影響較小，易形成大范圍的懸浮物。 在圖9b中離底距離C1=0.24h，與C1=0.19h時相比，攪拌釜上部分區(qū)域淺藍色較低速區(qū)域和深藍色低速區(qū)域明顯縮小，釜內高速區(qū)域上移至z/h為0.66～0.76、r/T為0.26～0.46區(qū)域， 圖9b底部出現高速區(qū)域，說明C1=0.19h時高速區(qū)域位于釜底。在圖9c中離底距C1=0.29h， 釜內上部分區(qū)域速度明顯提升，但是由于槳葉上升，其對釜底的影響降低，在z/h為0.10～0.16、r/T為0.30～0.36區(qū)域顯示出低速深藍色，釜底速度降低，底部流速過低會導致出料口沉積物料，從而出現堵塞。 綜合以上分析，C1=0.24h時釜內速度分布更合理。

圖9 3種不同離底距離下的速度云圖

3 兩種組合槳實驗結果的對比分析

3.1 速度云圖

圖10為兩種組合槳在轉速N=110 r/min、C1=0.24h、C2=0.23h下的速度云圖，在圖10a中，與四斜葉-Rushton組合槳在釜內z/h為0.22～0.32、r/T為0.34～0.44區(qū)域和z/h為0.50～0.64、r/T為0.34～0.50區(qū)域產生紅色高速區(qū)域相比， 帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳的釜內流場高速區(qū)域要更靠近釜內中心區(qū)域，高速區(qū)域分別位于z/h為0.66～0.76、r/T為0.26～0.46區(qū)域和z/h為0.10～0.20、r/T為0.14～0.24區(qū)域，且釜內上部分的低速區(qū)域范圍更小，表明帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳在釜內流場的速度分布相對更好，穩(wěn)定翼的切割推流作用有助于釜內流場的速度分布，有助于釜內介質的混合和傳質。 但在釜內中心位置穩(wěn)定翼一定程度上阻擋了下層Rushton槳的射流，綜合比較得到穩(wěn)定翼的加入對釜內流場更有益。

圖10 兩種組合槳的速度云圖

3.2 軸向無因次化速度分布

為研究兩種組合槳分別對釜內流場流動的影響，對釜內r/T分別為0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.44、0.48這10條軸向截取速度信息，每條截線等間距獲取45個點進行無因次化速度計算，提取軸向速度進行無因次化計算處理即軸向無因次化速度為τ/Vtip，其中槳葉的葉端速度Vtip=πDN/60。

圖11所示為兩種組合槳軸向無因次化速度分布圖。圖11a所示帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳軸向速度正峰值出現在z/h=0.58、r/T=0.44位置，負峰值出現在z/h=0.24、r/T=0.20位置，釜內中層的中心區(qū)域軸向無因次化速度較大，形成的高速回流有助于釜內流體的混合和傳質。 圖11b所示為四斜葉-Rushton組合槳釜內軸向無因次化速度分布，圖中r/T為0.12、0.16、0.20這3條截線軸向無因次化速度分布變化趨勢不明顯，與圖11a相比，在釜內槳葉附近出現無因次化速度峰值，其他區(qū)域無因次化速度降低， 而變化趨勢不變， 在r/T為0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.44、0.48 截 線 附 近 表現出較好的軸向循環(huán)流動，釜內軸向無因次化速度變化趨勢更規(guī)律有序。 四斜葉-Rushton組合槳的軸向無因次化速度分布較好。

圖11 軸向無因次化速度分布

3.3 徑向無因次化速度分布

與軸向無因次化速度方法相同， 提取徑向速度進行無因次化計算處理得到徑向無因次化速度為v/Vtip， 徑向無因次化速度分布如圖12所示。

圖12a為帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳釜內徑向無因次化速度分布圖，上層z/h在0.9～1.0區(qū)域內徑向無因次化速度較高，避免了上層懸浮結塊的現象。 此區(qū)域向下的流速變化較為平穩(wěn)，徑向無因次化速度正峰值在r/T=0.28、z/h=0.74 和r/T=0.32、z/h=0.66位置產生， 徑向無因次化速度負峰值在r/T=0.28、z/h=0.42位置產生， 徑向無因次化速度峰值位于釜內中心槳葉附近，速度突變較少， 有利于提高釜內整體的混合和傳質效果。而圖12b中釜內流場徑向無因次化速度變化趨勢不明顯，沒有表現出較好的循環(huán)流動，所以帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳的軸向無因次化速度分布更佳。

圖12 徑向無因次化速度分布

4 結論

4.1 轉速N=110 r/min 時帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳其上層的穩(wěn)定翼切割推流作用表現明顯，釜內上部分區(qū)域流速增大，有利于釜內介質的混合和傳質；槳葉間距C2=0.23h時，兩槳葉配合最佳，其穩(wěn)定翼的切割推流作用使釜內形成最佳流場；離底距離C1=0.24h時，釜內上部分低速區(qū)域明顯縮小，釜內速度分布合理，C1=0.24h為最佳槳葉間距。

4.2 對比帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳與四斜葉-Rushton組合槳釜內流場， 穩(wěn)定翼在釜內流場的積極作用更為明顯，在z/h為0.5～0.6范圍內穩(wěn)定翼切割推流與Rushton射流配合更好，釜內上部分區(qū)域的流速加強，釜內中心區(qū)域介質的混合和傳質能力得到進一步加強。

4.3 對比兩種組合槳釜內流場的軸向、徑向無因次化速度， 帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳徑向無因次化速度分布更好，其徑向無因次化速度峰值位于釜內中心槳葉附近，有利于提高釜內整體的混合和傳質效果，表明了穩(wěn)定翼對釜內流體徑向流動更加有益。