基于FLUENT的翼型管道静态混合器的流场仿真模拟

基于FLUENT的翼型管道静态混合器的流场仿真模拟

叶泽斌 ,朱羽林

国家管网集团广西防城港天然气有限责任公司   广西壮族自治区 防城港市  538000

摘要：本文是通过FLUENT[1]来模拟分析翼型管道静态混合器的内部流场，使应用广泛的静态混合器的混合效果得以优化。简要分析翼片的排数和倾角、翼片的结构以及翼片的排列方式对混合效果的影响。模拟结果表明：内置3排45°角长翼片错排结构形式的翼型静态混合器综合混合效果较优。

关键词：管道静态混合器；翼片；FLUENT；流场模拟

翼型管道静态混合器的混合机理：流体在自身所具有的动能和势能下，以一定的速度沿轴线方向流进混合管，翼型静态混合器内的任意一个叶片将所在周期的流体分成四股彼此独立的流体，这四股流体沿着翼型叶片向相同的轴向的方向分流。本文中，翼型管道静态混合器中的物料选用两相互不相溶的液体，低速流入静态混合物的翼片元件中，通过FLUENT来模拟分析翼型管道静态混合器的内部流场。

一、静态混合元件结构

文献[2]中实验得知：相比矩形翼片，梯形叶片能产生更佳的混合效果，因此首选梯形叶片。静态混合元件采用薄板内嵌在混合器管道内壁上，在此混合器内壁上定性的画上3排翼片依次等距排列，药剂入口的设计为内插式，为方便混合浓度的测定，需在该翼型静态混合器之后连接一个取样器，本取样器采用静态液-液取样。

二、静态混合器混合效果与长度的关系

查阅文献[3]可知，湍流情况下，混合效果与混合长度没有关系。层流时，混合长度与混合效果有很大关系，一般需要根据混合效果确定混合长度。

本文选用液液互不相溶的两相流体相混合，初设叶片的角度变化范围为0°-180°，在同一截面上等角度的分布4个大小一样的叶片。流体的流动是低速低压，初步定性混合器长径比L / D=5，内径Di=400mm，管长L=2m。

用FLUENT模拟内部流场，影响两相液体混合效果的因素主要有：1、翼片在管道内部的排数；2、翼片在管道内部与内壁的倾角大小；3、翼片的具体结构形式；4、翼片的排列方式。

三、分析影响混合效果的因素

（一）梯形翼片的排数和倾角

流体进入管道处投药，投药管径约为1/4混合器管径；混合器主体为薄壁圆管，混合单元由一系列翼片组成，先设计翼片倾角为30°；两排翼片之间按顺序排列，翼片的排数依据混合效果而定，先比较1排、2排、3排形式，并分别进行数值模拟计算，分析其效果。

对初步设计的翼型静态混合器进行网格划分，对建模后的网格进行数值模拟计算之前，设置数值计算的前提条件：混合的质量分数比约为13/87，主流介质设为水，第二介质设为密度略小于水的流体，入口条件采用入口速度边界条件，出口条件采用出口压力边界条件，壁面条件按无滑移条件处理。

参考文献[2]，可知随着翼片排数的增加，混合效果显著加强。内置3排翼片的静态混合器对流体扰动影响显著，当内置翼片的排数越多，其累计压降越大，因此翼片排数的密度不能多，在长为2m的管道中内置3排就足够。但翼片倾角设为30°时，还不能使两相流体充分混合，因此要采取措施加强混合效果。强化混合有两个途径：一是再增加一排30°倾角的翼片；二是改变翼片倾角度数。由于增加一排翼片在加工和压损方面都会带来不利，权衡利弊，在此选择改变翼片倾角，将翼片倾角由30°增加到45°，并再次进行模拟计算，数值模拟后可以看到：流体扰动十分强烈，第二流体在第1排翼片处已全部发生掺混，随着第2、3排翼片的进一步作用，两相流体掺混效果逐步完善。接近混合器出口处，两相流体完全混合，达到掺混目的。

静态混合器的内置翼片的倾角对两相流体掺混效果起着重要的作用，在本设计的静态混合器结构尺寸条件下，内置3排45°倾角翼片的静态混合器可以达到充分混合效果，同时加工简单，压损较小。

（二）翼片的结构

参考文献[4]，采用大涡模拟方法[5]对内置翼片管式静态混合器内部的流场和浓度场进行了研究。对比了3种不同结构尺寸的翼片的混合效果和沿混合器轴线的压力损失。数值模拟结果表明：小翼片的压力损失最小，但混合效果最差；长翼片的混合效果略好于大翼片，但其压力损失仅为大翼片的67%。同时还发现，在长翼片背后可形成两个逆向旋转的大涡，使混合器中心区域速度梯度增大，剪切作用明显，湍流强度增强。

压力沿混合器轴线的分布参照文献[4]，从定量结果来看，小翼片压力损失最小，长翼片压力损失其次，大翼片压力损失最大。长翼片所形成的流场能够有效地驱动混合器中心区域的高浓度流体流向壁面，对混合产生了积极的作用，故长翼片是一种值得推广使用的翼片结构形式。

（三）翼片的排列方式

使用FLUENT对翼型静态混合器内置翼片顺排、错排[6]两种结构方式下内部的浓度场、速度场、湍流场等参数进行模拟计算，分析比较两种翼片排列方式的混合效果。

通过计算，得到两种排列方式下混合器内流场组分、速度、湍流、压力等参数的分布情况，选用内置3排45°角梯形错排长翼片,延长混合器翼片尾距。

采用顺排方式时，每排翼片之间的相邻距离约为500mm，当错排之后，延长混合器翼后距离对强化混合效果有较大帮助，第二排翼型叶片的大小以及和内壁的倾角和第一排，第三排是一样的，不同的是第二排翼片是在第一排的基础上逆时针旋转了19°，第一排和第三排一致。

推荐错排之后的翼型管道静态混合器的结构形式如下图所示：

四、总结

本文为新式翼型管道混合器结构设计与流场模拟，通过FLUENT模拟软件对影响翼型管道混合器混合效果的各个因素进行模拟分析之后定义其具体的设计结构，指导并优化设计运用到实际生产。

参考文献：

[1] 齐志伟，童淑敏，田建川，麻硕士.基于FLUENT的风洞典型风蚀地表风速廓线的模拟[J].农机化研究，2009，31（1）：35～37

[2] 西安航空技术高等专科学校动力工程系,西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055．HEV型静态混合器优化设计分析[J]．西安航空技术高等专科学校学报，2008，26（5）：28～30

[3] 郑亚军，王凯，雷兴春，唐峰.基于RNG湍流模型的泵站进水流道三维数值模拟[J].水电能源科学，2008，26（6）：123～125

[4] 张鸿雁，陈晓春，王元.内置翼片管式静态混合器混合效果的大涡模拟[J].西安交通大学学报，2005，39（7）：673～676

[5] 姜金华，胡非.大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用[J].科学技术与工程，2004，5：352～354

[6] Alessandro Paglianti.Recent Innovations in Turbulent Mixing with Static Elements[J].Recent Patents on Chemical Engineering,2008,1:80～87

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