SD型静态混合器压力降的特性分析.pdf

604
化工机械
2010年
SD型静态混合器压力降的特性分析
吴剑华*陈万海王宗勇
(沈阳化工学院)
摘要借助计算流体力学软件 FLUENT5/6,对含有3个流道的螺旋式棦态混合器在不同的长宽比和
雷诺数下的流动特性进行了数值模拟。模拟结果表明,当螺旋片长宽比为4:1时该混合器压力降与雷
诺数的1.715次方成正比;当雷诺教一定时,压力降与混合元件单元数在双对数坐标下成绒性分布規
律;压力降随着螺旋叶片长宽比的减小而增大;该混合器的压力降与对应結构的SK型静态混合器基本
相同,大约是相同直径和管长的光滑空管压力降的10倍。
关键词静态混合器压力降数值模拟
中图分类号T0051.7*1
文献标识码A
文章编号0254-6094(2010)05-060405
静态混合器是一种新型高效节能的化工单元设备的能力。为此,笔者拟通过数值模拟的方法
设备,其结构是在圆形管道内放置特殊结构的得到该种新型静态混合器的压力降特性,从而为
组合元件,依靠流体本身的动力,使难溶或不相溶研究开发该种混合器提供一定的理论基础。
的物质受到流道形状和截面变化等约東,进行分
数值模型
流切割、合流剪切以及旋转搅动等运动,最后达到1.1混合器结构
良好的分散和混合效果。目前静态混合器已经在
SD型静态混合器的结构特点是在同一个横
化工、石油、环保、食品以及医药等行业得到了广截面上具有多个旋向相同的螺旋片,这些螺旋片
泛的应用?。由于国内外多位学者经过一定的构成多个螺旋通道,成为一个混合单元,相邻混合
理论与试验研究后,对几种较成熟的静态混合器单元的螺旋通道旋向相反且错开一定角度,从而
如SK、SV、SMX型)进行了数值模拟研究,均得实现流体的剪切、扭转及混合。为便于混合元件
出了较好的结果3?。多流道螺旋静态混合器是的安装及定位,所有螺旋片均固定在一根较细的
在SK型静态混合器的设计理念上发展而来的一心轴上,该混合器的剖视结构如图1所示。
种新型静态混合器(类型以SD为代表),与SK型
静态混合器相比,SD型静态混合器可产生更加强
烈的流体切割作用,流体湍动程度会进一步增强,
理论上混合效果会得到提高,但一般情况下混合
效果的提高往往是以消耗系统压降为代价的,为
左旋叶片右旋叶片混合管心轴
确定该静态混合器的混合效率(混合效果与混合
图1SD型静态混合器结构图
压降之比)是否优于传统静态混合器,有必要先
SD型静态混合器几何及流体参数如下:
对其压力降特性进行详细分析,同时静态混合器
混合管内径D68mm
的压力降特性直接关系到确定新建装置所需泵的
心轴直径d8mm
压头以及核算技改装置是否适合于原来流程输送
混合器总长1000mm
辽宁省教育厅高校重点实验室项目(2008S179)。
率吴剑华,男,1951年1月生,教授,硕士生导师,党委书记。辽宁省沈阳市,110142
万方数据
第37卷第5期
化工机械
605
进(出)口空管段长140mm
a.进口边界条件。混合器总管定型长度为
螺旋片的厚度82mm
1000mm,元件的进口和出口各取了140mm的空管
螺旋片轴向长度L120mm
段,这样稳态后可认为流体的湍流已经充分发展,给
螺旋片扭转角B180°
定人口截面的轴向速度时均值作为速度进口。
流体介质水(常温)
b.出口边界条件。采用自由流出口。
流体的密度p998.2kg/m
C.壁面条件。流动边界采用无滑移固壁条
流体的粘度1.03mPa?s
件。
为了分析混合元件结构对压力降特性的影
d.控制方程。采用 Fluent自带的 Segregated
响,选取3种规格的螺旋片,其长宽比分别为4:1、求解器,流场采用 Simple进行压力-速度耦合,求
3:1、2:1。在混合器直径不变的情况下,为保证总解器中动量、湍动能和湍流耗散率均采用二阶迎
的混合长度相同,相应长宽比的混合元件分别由风离散格式。连续性方程和k方程、6方程相对
6,8、12个混合单元构成。每个单元上有3个相残差小于10,采用增强壁面函数法将量纲
同扭转角和轴向长度的叶片组成,叶片相互错开速度在粘性支层内的线性关系和粘性支层外的对
120°,焊接在直径为8mm的圆柱心轴上,相邻混数率关系结合起来,形成一种统一的函数关系
合单元对应叶片错开60°。
(1am代表层流,turb代表湍流)
1.2网格划分
Lニe
使用uent中的前处理程序 Gambit生成非结
构体四面体网格,整个混合器在6单元长宽比4:1
(2)
时共划分为2550309个网格单元、444831个节点;8式中a、b一一离散化系数;
单元长宽比3:1时共划分为2919655个网格单元
湍动粘度计算式系数
507325个节点;12单元长宽比2:1时共划分为
k,一节点p的湍动能;
2792186个网格单元、487701个节点。
u一无量纲速度,u'=u,c“ky,Ak
1.3湍流模型
L,一节点p的时均速度
在现有研究文献中选用较多的是标准k-模
y一无量纲距离,y'=pc"bby,/;
型,虽然这种模型能模拟混合器的流场特性,但它
y,一节点P到襞面距离;
是一种针对高Re数的湍流计算模型,对Re数较
ルー一动力学粘度;
低的流动以及用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲
アーー-广义扩散系数。
流线流动时会出现问题,而 realizable k-e模型与2模拟结果分析
标准k-。模型的主要区别是湍流粘度计算公式中2.1雷诺数(Re)对压力降的影响
引入了与旋转和曲率有关的内容, realizable k-e
为宏观描述该种静态混合器在不同雷诺数下
模型也被有效地用于各种不同类型的流动模拟,的压力降情况,笔者依照空管雷诺数的计算公式
包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自(Re=Dup/u)为计算基准,共选取7组雷诺数进
由流动、管道内流动、边界层流动以及带有分离的行模拟,雷诺数Re的大小依次为113、226、566
流动等。前人研究结果指出SK型静态混合器1133、266566和1133同时以第1个单元
在300混合器在Re>150和SL型静态混合器在Re>(该截平面同时为第2个单元的进口截平面)为x
100即进入湍流状态?。针对本混合器与SK型=120mm,依次类推,最后一个单元出口截平面为
静态混合器结构相似以及采用的Re数值范围为z=720mm。当模拟收敛后取各截面的加权平均
100~12000的特点,综合前人的研究结果选用压力,来描述静态混合器沿各截面上在轴向方向
realizable k-s模型进行模拟。
z轴)的压力分布情况,从而通过简单的数学计
边界条件及求解器选取
算获取沿元件各单元的压力降情况。图2为该静
在本文的模拟中,边界条件采取如下设置
态混合器(长宽比U/W=4:1时)在以上雷诺数范
万方数据