文章类型：研究开发
静态混合器内水的流动数值模拟
刘新辙1，陈娟1，张明阳1,*，户正雨1，贤帅飞1，唐明璇1，张晨晨1
（1山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101）
摘要：为研究静态混合器内水的流动情况，运用CFD软件ANSYS CFX，借助欧拉-拉格朗日方法，应用SST湍流模型进行不同温度流体的混合性能分析，得到混合器内部流场的流动速度，温度，压力和湍动能规律。研究结果表明：液液混合流流经静态混合器中心轴线位置时，速度，温度，压力均呈现几乎同等的变化规律，温度高的流体与温度低的流体混合流动速度接近，这说明温度不会对静态混合器内速度产生较大影响，出书口各项数值均为最小值，说明静态混合器内液液均匀混合，涡流状态相同，会在进水口中心轴线下端出口达到稳定。
关键词：静态混合器；液液混合流；混合特性；
中图分类号：TB126 文献标志码：A
文章编号：
Numerical
simulation of water flow in a static mixer
LIU XinZhe1
（1. School of Thermal Engineering, Shandong
Jianzhu University, ShanDong Jinan 250000）
Abstract: With a static mixer as
the research object, CFD software ANSYS CFX was used to analyze the
liquid-liquid mixing performance under the SST turbulence model with the help
of Euler-Lagrange method. The flow velocity, temperature, pressure and
turbulent kinetic energy of the internal flow field in the mixer were
obtained.The results show that:Liquid-liquid mixing flows through the center of
a static mixer position, velocity, temperature and pressure are almost the same
change rule, high temperature of the fluid mixed with low temperature of the
fluid flow velocity is close to, this shows that the temperature will have a
larger influence within the static mixer speed, the various numerical ShuKou
are based on the minimum value, indicate that the liquid-liquid mixing within
static mixer,The eddy current state is the same, and it will be stable at the
lower end of the inlet central axis.
Key words: static mixer; liquid-liquid
mixed flow; mixing characteristics;
引言
静态混合器是一种不含运动部件的混合设备，有着混合性能优异、操作简单、使用方便、能耗较小等特点[1-4]。因此静态混合器被广泛地运用于多相流的混合、反应、分散、传质和传热等诸多工业运行过程中[5-9]，在核能、化学、原子能、航天、医药等领域也得到了广泛应用[10-13]。目前，静态混合器在石油化工中的应用可以很好的替代动态混合，有着混合均匀、结构紧凑、操作成本低的优点。通过静态混合器的混合强化相间相互作用，实现温度不同的两液相混合，混合效果极佳，对于相际传质的液液体系的混合操作具有良好的应用前景。但是，由于液液混合流动过程中存在不确定性以及混合流体混合瞬间产生界面效应，并且混合流体壁面涡流的形成，使得混合相界面不仅随时间空间分布，还随管道几何尺寸和管道的空间内置元件等因素而改变，同时还需要考虑不可忽略的滑移速度，致使流动特性变得更加复杂[14,15]。
在评价静态混合器的混合性能时，温度是决定传质传热效果的主要参数之一，通过温度的变化大小能够判断得到能耗的高低[16]。目前，对于液液混合器流体动力学研究主要集中于Kenics型[17]、SX型[18]、Lightnin型[19]、SK型[20]、SMV型[21]和SMX型[22]，其中不同温度下流体流动模式的接触方式与螺旋形态对温度的影响研究较少。与静态混合器相关的研究主要集中于液液混合流通过管道流出的速度与压力关系，而缺少液液混合水的特征参数研究[23]。
本文从模型设计以及实际应用角度出发，在涵盖工程实际应用的液液静态混合器流量范围内，运用流体力学计算软件CFX对简化静态混合器内两进水口温度不同时进行液液混合流的速度场，温度场，压力场进行数值模拟计算，分析了不同位置切面下温度对三种参数的影响，目的是为工程应用过程中静态混合器的设计应用提供参考。
1静态混合器计算模型简介
1.1静态混合器计算区域及参数设置
本文研究的某螺旋式静态混合器主要由器顶封盖，螺旋流道，底部出口，左右进口组成。其中螺旋流道由直径为20cm，高5cm的不锈钢流道等间距堆叠组成。管道直径为20cm，左右进水口分别为高高进水口和低温进水口，进水口长4cm，直径4cm，高温进水水温40℃，低温进水水温20℃，高温进水口进水和低温进水口进水均按照流速2m/s进水，出水口水温流速均不确定，尺寸为长4cm，直径4cm，物理模型见下图1.
图1
静态混合器的物理模型
1.2 网格划分
选择四面体网格对所建立的物理模型进行网格划分，由于主要研究的是静态混合器中两种不同温度水的流动混合场参数，因此四面体网格能满足最基本的需要，计算结果表明，当网格单元数为1456728时，出口水温差已基本没有变化，考虑到计算机特性与计算所用的成本，网格划分有1456728，网格正交质量大于0.5，网格的偏度小于0.5，见下图2。
图2 静态混合器内的网格划分
计算域内边界条件设置如下：相对压强为1atm，介质为水，其中左侧高温进水口水温40℃，低温进水口水温20℃，进水均采用速度入口且流动方向垂直于进口边界。出口边界条件为-10pa，方向垂直于出口边界。壁面采用无滑移边界条件。
1.3 数学模型
数值计算采用基于SST（Shear Stress Transport）模型的k-ω方程[24]。该模型考虑了湍流剪切应力的传输，可以精确预测流动的开始和负压梯度条件下流体的分离量。SST模型最大的优点在于考虑了湍流剪切应力，从而不会对不同水温进水口混合温度造成过度预测[25]。
湍动能方程：
比耗散率方程：
式中，各式系数根据 Φ = F1ϕkw +(1− F1)ϕkε计算，即各系数为k-ω模型和修正k-ε模型相应系数的线性比例组合。
要使上述方程闭合，所需要的系数的值为：
k-ω模型，α1 = 0.555、β1 =0.075、σk1 = 2.0、σω1 = 2.0、β ∗ = 0.09
k-ε模型，α2 = 0.445、β2 = 0.0828、σk1 = 1.0、 σω2 = 1.168、Cμ= 0.09
其传输行为可由包含限制数的涡流黏度方程求得：
式中：F2 为混合函数，由于模型中的假设不适用于自由剪切流动，该值确定了其限制范围；S 为应变速度的不变量。
2模拟结果与分析
2.1 静态混合器内速度分布
图3为进水流速2为2m/s条件下，两液液混合流体在静态混合器沿径向中心轴线方向的速度分布，图4为静态混合器地面径向速度分布。对比两图可以发现中心速度分布为沿出水口向四周均匀散射分布，而地面速度分布更为均匀，说明随着水的螺旋流动，初始速度对混合水流速度的影响逐渐消失，而对比之下不难发现，贴近壁面方向速度接近于0，底面有着速度接近0的趋势，这就可以得出结论，当两个水温不同，但流速相同的液体进入静态混合器后，会在轴线中心及以上部分更多考虑流体的初始速度作用，而在靠近底部的混合流体速度则与出水流速无关，相反更靠近壁面处混合流速更小[26]。
图3 静态混合器中心速度分布
图4 静态混合器底面速度分布
2.2 静态混合器内温度分布
图5为静态混合器中心温度分布，图6为静态混合器底面温度分布。通过两图对比，我们可以清晰地发现，静态混合器内中心截面温度分布都与相靠近的进水口温度是有一定关系的，温度出现了向左偏移的趋势，但整体而言，温度分布由中心向四周较为均匀，而在出水中心两侧，混合水温在30℃左右，说明高温水和低温水的混合较为均匀，没有出现温度离异现象，而由底面温度分布我们不难看出，截面水温在29-30℃之间，不再受进口水温的影响，这说明，初始水温的影响已经消失，高温水和低温水的混合已经完全稳定。
图5 静态混合器中心温度分布
图6 静态混合器底面温度分布
2.3 静态混合器内压力分布
图7为静态混合器垂直于出水口法向压力分布。我们可以看到在混合器管道内部，出现两个高亚矩形面，这对应着两个进水口对混合器内压力的影响，而在混合之后，在混合器中央压力逐渐变小，这说明混合之前的流体流速降低的同时，无须考虑温度的变化带来了压力的降低，而在液体流向出水口的过程中，流体压力一直在下降，下降状态呈现山峰型[27]，这说明外部空气给了内部流体一定的支撑作用，使得压力下降不是呈现阶梯型，而在出水口中压力则变化较小，但其中有一段出现了压力的波动，不再变小反而变大吗，这就体现了出水口外部空气负压的作用，而通过压力我们可以看到，压力同温度分布的趋势有着一致性，这说明混合的过程中，流速减小，混合温度逐渐降低，压力逐渐降低。
图7 静态混合器法向压力分布
2.4 静态混合器内湍动能分布
图8为静态混合器法向湍动能分布图。由图8可以看出：由于流进流体在管道流速较小，水被逐渐层流化，从而导致流体的脉动速度较小；当流体流出出水口时，手出口压力的影响，压力突然变化较大，从而流体在侧面的边界上与环境的流体之间形成了强烈的剪切作用，促使了流体流动的不均匀稳定，在剪切层的粘性作用下降低射流外层流体的速度，同时也是环境中的流体运动起来；在逐渐流动的过程中，水的流动剪切层逐渐转捩为湍流，使得流体通过螺旋管道的湍动能逐渐增大，流体在进入混合器很长一段时间内没有湍动能的变化，这时流体正处于层流状态，而变化较大时则已处于湍流。
图8 静态混合器法向湍动能分布
3结论
通过对简化结构下的静态混合器内液液混合流动进行的仿真计算，我们分析了该化工设备内部流场的流速、温度、压力以及湍动能变化分布规律，得到下面的结论。
（1）静态混合器内沿法向速度、温度和湍动能分布显示，该设备对液液混合流动的具有促进作用，这样的促进作用是由于混合器的结构决定的，这与左右进水口的进水流速关系更为密切，通过高温水和低温水的混合，可以达到中间水温。
（2）静态混合器压力分布较为均匀，因此可以认为整个混合器内压力的分布是由静态混合器出水口的流速决定的，可以通过改变进水流速，达到我们想要的混合器内水压。
（3）静态混合器中高温水和低温水对流场分布规律的影响具有一致性。
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