仿柳叶形静态混合器的流动及混合特性

傅鑫亮，闫志勇

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

仿柳叶形静态混合器的流动及混合特性

傅鑫亮，闫志勇

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

对仿柳叶形静态混合器内混合气流进行了速度场与浓度场的试验研究，结果表明该混合器内速度场与浓度场偏差均达到了非常理想的效果（优于国家标准偏差值）。同时采用CFD软件对该静态混合器内的流场进行了数值模拟，试验与模拟的数值结果以及两者的浓度云图分布都有着较好的一致性。随后的研究结果表明：在混合元件尾迹区域出现了纵向涡和发卡涡来促进混合；在经过混合元件区域时因为湍流动能耗散率增加形成的高湍流动能耗散率区能够使物质交换更加频繁；整个静态混合器的流动阻力也主要发生在该区域，随之出现的返混现象也在一定程度上加强了混合效果。

仿柳叶形；气流返混；流动混合特性；混合；静态混合器

引 言

流体混合通常被运用于石油、化工、纺织印染等生产领域[1-6]，在诸多的操作流程中是广泛而又关键的一步，反应物料一般要求混合均匀后再进入反应器或下一流程，因此混合的均匀程度对整个反应过程以及生产效率的提高起着至关重要的作用。其中静态混合器技术由于其制造成本低、能耗小以及安装方便等优点，使其在众多的化工单元操作中得到广泛应用[7-8]。吴卫红等[9]研发了 X 型静态混合器，有效地提高了氨气和烟气的混合均匀程度；张国锋等[10]通过改进型翘片式静态混合器实现药剂与原油的成分混合；Hirschberg等[11]在SMX元件之间增加一定间隙地方法显著降低了混合压降。

静态混合器是工业生产过程中常用的混合装置，但传统静态混合器在短距离快速混合即小空间内达到快速混合的能力还无法满足工业要求[12-14]。为解决这一问题，本研究组根据之前的基础研究数据[15]，提出了仿柳叶形混合单元不规则排列方式的静态混合器结构。试验用的仿柳叶形静态混合单元由4个叶片沿着流动方向轴线相错90°排列，每个叶片之间间隔一定的距离。混合元件之间也按照一定的方式排列。本研究组之前的研究发现当流体流过仿柳叶形静态混合元件时，由于叶片之间所形成的独特的空间位置会使流体在其中受到反复的切割以及径向的混合，使得整个混合元件部分以及之后的区域湍动加强，加速流体之间的混合，从而达到短距离混合的目的。而现有的静态混合器往往会因为安装长度无法达到混合距离的要求，实现不了工艺目标。为了全面了解仿柳叶形静态混合器的流动及混合特性，本文以SCR脱硝装置中的静态混合器为研究背景[16-19]，在实际工程中，NH3与NOx在烟气的混合过程中，速度过高之处会造成催化剂冲蚀和磨损，速度过低又会形成催化剂的积灰与堵塞，而浓度的不均匀则无法达到设计的脱硝效率，降低了SCR系统的使用性能。本文用试验和数值计算两种方法对该静态混合器均匀流场的作用进行研究，为该静态混合器进一步的设计开发提供理论依据和基础数据。

1 试验装置及流程

试验装置主要由CO喷入系统和仿柳叶形静态混合器两部分组成。结构以及流程控制如图1所示，试验管道尺寸为800 mm×100 mm×315 mm，其当量直径D为151.8 mm，由有机玻璃制作，在保证加工精度的情况下，混合单元采用ABS加工（图2），并在试验管道入口处加装海绵以使进口流场达到均匀。CO气体喷射口均匀分布在距离管道进口0.5D截面处，喷口数量共42个，直径2 mm，其喷射量通过D07型质量流量控制器进行控制，确保试验中CO流量与烟道中气流流量之比与实际SCR系统中氨气与烟气流量之比相等。整个静态混合器由 21个混合单元构成，叶片与轴线呈 45°偏转，试验管道置于长宽高为2000 mm×600 mm×600 mm的低速流体风洞中。试验装置的速度场、浓度场分别通过DANTEC热线风速仪和TESTO350烟气分析仪测得。

为了测定该静态混合器在整个流场中造成的流动及混合特性的变化，在距离混合元件下游1/2D、1D、3/2D、2D、5/2D、3D处选定测试面即X方向上的375.9、451.8、527.7、603.6、679.5、755.4 mm截面，相邻测点间隔5 mm。

由于试验环境无法达到实际 SCR脱硝装置的进口温度工况。因此根据冷态模化试验中的相似理论，在保证几何相似的前提下，使得试验模型中的Reynolds数处于第二自模化区内[20-22]，从而保证流场的流速分布相似，这样试验所得数据才能更真实地反映该装置的性能。试验表观速度为4 m·s-1，与其相对应的Reynolds数为16216。

图1 试验装置结构及流程Fig.1 Structure of experimental setup and flow chart

图2 混合单元视图Fig.2 Mixed unit view

2 流场的数值模拟

2.1 计算模型

数值模拟可以获得湍流机理的局部参数，如湍流动能、湍流动能耗散率等很难在试验中获得。Rahmani等[23-25]在比较了多种不同的湍流模型后发现采用与近壁面函数相结合的Realizablek-ε模型能更精确地描述包含混合元件的管道内流场特性。因此本文运用 CFD软件对仿树叶形静态混合器试验装置内部流场进行数值模拟，模型选用 Realizablek-ε模型，压力和速度的耦合采用SIMPLE方法进行处理，压力的离散采用PRESTO，对流差分项采用Second Order Upwind形式进行离散。烟道进口速度与试验表观速度一致，烟道出口为压力出口。烟道与混合器部分分别采用 Map和非结构性网格进行划分，并通过局部加密的方法来提高网格密度。湍流动能方程（k方程）为

耗散率方程（ε方程）

式中，C1ε、C2ε为经验常数；σk、σε为湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数，相关参数见表1；Sk、Sε为用户定义源项；μt为湍流涡黏系数，μt=ρCμk2/ε；Gb为由于浮力而引起的湍动能k的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张项；Gk为由于速度梯度引起的应力源项，其中，

表1 Realizable k-ε模型参数Table 1 Constants in Realizable k-ε model

由于模拟的实际烟道中含有氮氧化物、水、空气等多组分物质，因此混合流动采用组分传输模型

式中，ρ为气相混合物的密度，μ则为其黏性系数；ω=(ωx,ωy,ωz)表示沿坐标方向的速度矢量；Yi表示组分的质量分数；Di是在气相中组分i的扩散系数。

2.2 网格无关性验证

计算区域的网格质量和数量直接影响计算模型的准确性和所需时间，网格无关性即验证计算区域的网格划分策略对数值模拟结果无明显可观影响时，才具有实际意义。如表2所示，随着网格的细化，网格质量进一步提高，模拟结果也越能反映客观事实，但迭代计算效率变低，经综合考虑选用网格数200万个的网格划分方法。

表2 网格数对3D截面处速度标准偏差系数的影响Table 2 Influence of number of grids on standard deviation coefficient of speed at 3D section

2.3 数据处理方法

静态混合器内部流场均匀性是体现其混合效果的重要指标，其中速度与浓度整体分布的均匀程度可以用标准偏差系数σv来表示

式中，Sv为混合器下游测试截面上的速度（浓度）标准偏差；Cv为混合器下游测试截面上的速度（浓度）平均值。

3 试验结果对数值模拟的验证

3.1 速度场的验证

图3 速度场数值模拟与试验结果的比较Fig.3 Comparison of numerical simulation and experimental research of velocity field

图3为新型静态混合器速度标准偏差系数数值模拟所得结果与试验结果的比较。从图中可以看出两种方法所得的曲线变化趋势趋于一致，吻合性较好，平均相对误差小于10%[26-29]。在混合元件上游位置速度标准偏差系数都在 5%左右，速度分布均匀。由于静态混合元件的作用，0～1D范围内速度分布急剧变化，之后下降趋势开始趋于平稳，最终速度标准偏差系数为12.84%。根据《燃煤烟气脱硝技术装备》中相关的设计要求[30]：烟气的速度标准偏差系数小于15%即为优秀。从图中可以看出该新型静态混合器的速度分布满足混合特性要求。

3.2 浓度场的验证

在上述静态混合器装置的速度场达到设计要求后，进一步讨论浓度场的分布情况。图4显示的是CO气体浓度标准偏差系数沿程分布规律的数值模拟与试验研究计算结果的对比。浓度标准偏差系数沿着管道轴向逐渐降低，在0～0.5D范围内，试验浓度标准偏差系数下降了25.66%，之后下降进程有所减缓，CO与空气的混合过程减慢但浓度标准偏差系数仍存在一定的下降趋势，在3D截面处到达10.94%。在入口条件一致，混合装置空间覆盖率相同的条件下，同样以topsoe公司开发的星形静态混合器进行试验，表3显示了在相同的混合距离内，仿柳叶形静态混合器的浓度标准偏差系数明显低于星形混合器，有效地起到了强化混合的效果。

表3 两种静态混合器在L=3D截面处的浓度标准偏差系数Table 3 Standard deviation coefficient of concentration of two static mixers at L=3D cross section

从图 4中可以看出采用上述数学模型的模拟结果与试验结果基本一致，平均相对误差也在10%以内。因此在下文中可以使用上述模型对该仿柳叶形静态混合器的流动及混合特性进行数值模拟研究。

此外，图5(a)、(b)分别是3D截面处模拟与试验所得浓度分布的云图对比。由图可知，两者的分布状况大体一致，从而证实了模拟的有效性。

图4 浓度场数值模拟与试验结果的比较Fig.4 Comparison of numerical simulation and experimental research of concentration field

4 结果与分析

4.1 新型静态混合器的速度场分析

图6 速度流线分布Fig.6 Velocity streamline distribution

上述所说的强化混合效果如图6所示，图6(b)显示的是x=380 mm截面处的速度分布。其中箭头方向代表在YZ平面上的方向分布，箭头的长度表示在YZ平面上的速度大小，箭头的颜色则是在三维空间上的速度大小分布情况。由图 6(a)可知，在去除壁面影响的情况下，未安装静态混合装置的管道内速度分布基本一致，但在靠近流道中心区域YZ平面上的二维合速度却很小，这就表明气相混合物在流动过程中周围物质之间的交换极其有限。在图6(b)中，安装有静态混合装置的烟道下游速度原本分布均匀的状况被改变，叶片尾迹区域的三维方向的速度明显小于周围区域的流体速度，并且在叶片尾迹区域产生纵向涡（沿着主流方向发展的涡流），由于混合元件之间特殊的空间拓扑结构，在惯性的作用下相邻的不同强度的纵向涡相互卷吸，加强了低速区与高速区之间的物质传递。类似的连锁反应使得整个混合区域的物质与动量交换得到很大程度的强化，混合效果大大增强。

为了进一步说明上述混合效果，图7为选取了单个叶片区域尾迹的速度流线图，从图中可以看出3对嵌套发卡涡[31]。由于发卡涡能够从局部边界层提起和夹带涡旋，能在一定程度上增加其自身强度以抵抗涡流扩散所引起的动量衰减，它们的反向旋涡能协同诱导来自低速区流体的输送，同时也能将高速区的自由流体引入低速区，从而使得混合区快速增长。另外在存在嵌套发卡涡的情况下，前一个发卡涡的尾部与尾随的发卡涡相缠绕[图 6(b)]，这种相互作用能在尾流中引起更强烈的混合，显著增加其结构渗透性。此外，发卡涡还存在着不稳定的三维方向上的分离，能够再生次级发卡结构来提供涡流的自我维持机制[32]，从而使得混合效果得到加强。

图7 单个叶片的速度流线图Fig.7 Velocity profile of a single blade

4.2 湍流动能耗散率

湍流动能耗散率的大小及其分布对静态混合器内的混合以及多相流之间的物质交换有着直接的影响。由图8可知，在管道入口处湍流动能耗散率非常小，在经过混合元件的第1组叶片时湍流动能耗散率急剧增加，由于叶片之间的空间组合结构导致相邻两个叶片的尾涡相互交错，形成一个长距离的高湍流动能耗散率区(即图中深色区)。由于湍流动能耗散发生在Kolomogorov小尺度中，与物质在空间内位置互换的宏观混合以及微粒在分子尺度上均匀分散的微观混合不同[33-34]，该区域内大湍涡在湍流脉动的控制下逐渐演变为小湍涡，并且因为在该惯性子区内湍动能既不产生也不会耗散，而是逐级传递，因此在该耗散区很长一段距离内流体的物质交换变得更为频繁，混合效果进一步加强。

图8 Y=33管道截面湍流动能耗散率分布云图Fig.8 Distribution of dissipation rate of turbulent flow in Y=33 pipeline section

4.3 新型静态混合器的压力分布

仿柳叶形静态混合器的轴截面内部压力降沿着管道的分布规律如图9所示。从图中可以看出混合区域前后的压差到达了27.85 Pa，整个静态混合器内部流动阻力也主要集中在该区域。而且从图中可以看出流体压力在管道内流动时出现了4个振荡区间，并且后一个振荡区间的起始压力明显大于前一个振荡区间的终止压力。这是因为在该轴向截面上，流体先后经过4个不同朝向的混合叶片时，由于前面提到的旋涡造成了流体的轴向返混，使得后一个混合叶片的初始压力增大，同时返混气流能够与来流发生物质交换，增强该静态混合器的混合效果。

图9 新型静态混合器压力降随管长的变化Fig.9 New static mixer pressure drop varied with tube length

5 结 论

本文首先利用热线风速仪和烟气分析仪对仿柳叶形静态混合器的速度场和浓度场进行测量，试验结果与数值模拟结果基本一致，平均相对误差也在合理范围内。在之后的数值模拟过程中采用定性分析与定量分析相结合的方法，分别对该新型静态混合器的速度分布、湍流动能耗散率分布以及轴向截面的压力分布进行分析，得到其流动及混合特性。结论如下。

（1）仿柳叶形静态混合器在1/2D～1D范围内速度标准偏差系数急剧下降，之后趋于平缓，速度分布符合燃煤烟气脱硝技术装备的相关国家标准；浓度标准偏差系数也在 0～1/2D范围内急速下降25.66%，与空白试验相比混合效果得到了显著强化。结合速度场与浓度场的数值模拟与试验结果说明试验采用的数学模型是可靠的。

（2）相比于未安装静态混合装置，仿柳叶形静态混合装置在叶片尾迹区能够产生纵向涡与发卡涡。纵向涡加速高速区与低速区进行物质传递，发卡涡能够减缓其自身动量衰减，增加结构的渗透性，再生的次级发卡涡能提供涡流的自我维持机制，进一步促进管道内的混合。

（3）在经过混合元件之后管道内的湍流动能耗散率急剧增加，形成一个高湍流动能耗散率区，在区域内湍流动能以逐级传递的方式使得物质相互混合更加密切，混合作用得到增强。

（4）流体在管道的轴线方向产生返混现象，造成轴向截面压力分布出现4个振荡区，返混气流与来流相互交错混合，在产生27.85 Pa压差的同时，物质与动量的交换过程也得到了强化。

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date:2017-06-12.

Prof.YAN Zhiyong,yanzy@cjlu.edu.cn

supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (Y14E060025).

Flow and mixing characteristics in willow leaf-like static mixer

FU Xinliang,YAN Zhiyong
(College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou310018,Zhejiang,China)

Gas mixing flow in willow leaf-like static mixer was studied on both velocity and concentration field.The experimental results showed that deviations of velocity and concentration fields were reached to ideal range and were better than those of national standards.CFD simulation on the mixer flow field exhibited good consistencies in numerical values and distribution of concentration cloud diagram between experiment and simulation.Subsequent studies showed that mixing was promoted by longitudinal and hairpin vortices appeared in tailing wake zone of the mixing element.When gas was passing through the mixing element,a high turbulent flow energy dissipation region formed by turbulence-induced increase of kinetic energy dissipation rate could drive much frequent material transfer.Flow resistance of the entire static mixer also occurred mainly in this high energy dissipation region.To some extent,back mixing after the high energy dissipation region strengthened mixing effect.

willow leaf-like; airflow back mixing; flow mixing characteristics; mixing; static mixer

TK 223.1

A

0438—1157（2017）12—4600—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20170755

2017-06-12收到初稿， 2017-09-12收到修改稿。

联系人：闫志勇。

傅鑫亮（1992—），男，硕士研究生。

浙江省自然科学基金项目（Y14E060025）。