三角形管壁叶片式静态混合器的结构与流场数值模拟

陈辰 皮成忠 杨镇亮 张辉

摘要：为满足造纸生产过程通过静态混合器添加各类化学品的发展要求，同时为解决传统静态混合器的挂浆、破坏某些高分子化学品结构、混合器结构复杂和易堵塞不易清理等问题，研发了三角形管壁叶片式静态混合器，其内部特征结构为3个取自管壁的叶片呈120°均匀分布于管壁内侧；利用FLUENT软件对其工作过程的内部流场进行数值模拟，并建立一套实验装置以对模拟结果进行验证。FLUENT的流场模拟分析结果表明，该静态混合器可使内部流场在压力、速度大小和方向、流体湍流情况发生有效变化，进而使流体物料充分混合；与目前常用的标准型Kenics静态混合器相比，三角形管壁叶片式静态混合器具有简单、高效、节能、不易挂浆和不易剪切破坏高分子类化学品结构的特点，可对流体物料进行分流和混合。

关键词：三角形管壁叶片；静态混合器；结构组成；混合流场特征；FLUENT；数值模拟

中图分类号：TS734+1文献标识码：ADOI：1011981/jissn1000684220180334

随着人们对纸和纸板性能要求的不断提高，不同性能的造纸用化学品被添加到抄纸过程中[14]。静态混合器是指在管内没有运动部件、只有静止元件的高效混合设备[56]。不同于动态混合器，静态混合器是以流体的轴向流动动能为动力、配以管内固定的各种复杂构件的作用，使流体物料在管内流动时多次产生分割分流、导流旋转、阻隔剪切、碰撞冲击、归并合流等流动方式，导致流体层流的运动速度梯度增大或者形成湍流及新的层流，继而使流体物料充分混合[7]。

自20世纪70年代以来，国内外已发明的静态混合器不胜枚举[826]，但目前使用率最高的仍是经典的几个模型，如日本东丽株式会社的hi型混合器、德国巴斯夫公司的巴斯夫型混合器、美国罗斯公司的Rossisg型混合器、瑞士苏尔式公司的Smv型和Smx型混合器[2425]及美国肯尼斯公司的Kenics型混合器[26]。这些经典模型因结构紧凑、能耗低、性能高、操作灵活性大、流程简单和安装检修方便等优点[2122]，仍被广泛应用于化工、造纸、医药、食品、环保、石油和炼油等行业，其工艺过程囊括液液、液气、液固和气气等不同形态物料的混合[3]。

基于计算流体力学（CFD）和计算机技术的发展，通过模拟分析，可更宏观和微观地观察静态混合器的特性及其使用效果，不仅方便了部件的改进，简化了操作流程，而且给出流场的详细信息。现今，模拟分析已成为研究流体模拟方面的主流方式[2736]。

本研究根据抄纸过程中浆料及添加的各种化学品（特别是高分子化学品）的特点，针对目前被广泛使用的各种静态混合器的不足，研发了一种新型静态混合器——三角形管壁叶片式静态混合器；基于CFD，利用FLUENT软件对该混合器工作过程中的内部流场进行数值模拟，并建立一套实验装置以对模拟结果进行验证，为开发新式静态混合器提供了一种新的结构思路及理论支持并给予实验证明。

1三角形管壁叶片式静态混合器

由于不同性能造纸用化学品的添加，迫切需要高效、低能耗、不易挂浆和堵塞、不易在流动过程产生剪切作用而破坏某些大分子化学品的结构、易清洗、易制作加工且价低的浆料纤维与化学品悬浮液混合器[4]。根据国内外静态混合器样式检索查新现状、结合上述需满足的功能特征要求，本课题组研发了一图1三角形管壁叶片式静态混合器单元节结构示意图种三角形管壁叶片式静态混合器，并已获国家发明专利授权（ZL2016101367784）[37]。

11三角形管壁叶片式静态混合器的结构与工作原理

111基本结构

三角形管壁叶片式静态混合器的基本结构如图1所示，其包括单元节筒体和固定安装在筒体内壁的叶片。图1（a）中实线部分为叶片，虚线或点划线部分为圆管；图1（b）为图1（a）的轴测图。叶片是由制作筒体所用的管材直接切割形成的三角形管壁叶片，3片三角形管壁叶片呈120°均匀分布在管内壁上，可将流体物料分隔成相互不完全断流的3个大致区域。

三角形管壁叶片式静态混合器的结构与流场数值模拟第33卷第3期第33卷第3期三角形管壁叶片式静态混合器的结构与流场数值模拟112工作原理

由于叶片的弧形叶面1为偏斜转向安装，流体物料在轴向移动的同时，受到叶片的导流作用，其在每块叶片区域内形成向筒内壁方向的偏旋转向，“轴向移动”與“向筒内壁方向的偏旋转向”的结合使3个区域流体形成小螺旋涡流前行；当流体离开叶片底面3后，各区域流体汇合，在各自原有的惯性流作用下，整体流围绕轴心产生旋转前行流动。如此，流体物料进入下一混合器基本单元节内，继续下一个“逐渐分隔、旋转、汇合”周期[38]。

12三角形管壁叶片的制作

叶片的制作见图2。参照图2（a），取一段圆管（根据叶片设计大小，确定管高度），在管壁上按照虚线切割形成垂直面2；同时在管壁上按照点划线切割形成弧面1（弧面1各处与筒壁面保持垂直），同时与轴垂直形成底面3，底面3的长度取决于设计的叶片角度和大小；垂直面2与底面3呈直角。制成的叶片见图2（b）。在焊接时（见图2（c）），将弧面1与圆管内壁4贴合焊接，叶片的直角部分伸悬在管内；3个叶片呈120°均匀分布在内壁上。混合器使用过程中，流体物料的流向如图2（c）中的F所示。

（1）图2中的垂直面2的长度和弧面1的弧面长度，决定了底面3的长度以及弧面1与垂直面2形成的夹角（称为切割角α）。其中，底面3的较佳弧长为0083～0167倍的混合节圆筒圆周弧长；切割角α在15°～30°之间。

（2）制作叶片时，保持切割面与管壁面间垂直，切割成叶片后保证各面之间形成的棱角平滑；叶片与管壁面焊接后，保持表面平滑。叶片尖端与管壁的“起始焊接接触连接角β”（见图2（c））为0°；叶片尖端与筒内壁接触点为S点，与底面接触点为E点，SE与筒体轴线形成的γ角（见图2）根据情况可变化，但γ≤60°。

（3）三角形管壁叶片式静态混合器在使用过程中以基本单元节为基础，每个（或每2个）单元节两端加工有法兰，并相互连接，相邻单元节或相邻混合单元的叶片旋向可以改变成反向交错。

（4）如果混合节圆筒直径较大，或希望在单元节内使流体物料的分隔和图2三角形管壁叶片的制作和安装焊接示意图图3管内壁的3个主叶片两两中间加焊3个小叶片旋转程度进一步提升，则可再在管内壁的3个叶片两两中间加焊3个小叶片，见图3。

2三角形管壁叶片式静态混合器内部流场数值模拟

21建立模型

211物理模型

三角形管壁叶片式静态混合器数值模拟物理模型如图4所示。

用Pro/e軟件进行建模时，选取的管道直径为100 mm。叶片是由筒壁所截取，并且底面3的较佳弧长为0083～0167倍的混合节圆筒圆周弧长，同时根据设计要求，叶片应定位于管壁内侧。因此，本模拟实验选取单个叶片的弧长为46 mm，叶片模拟图如图4（a）所示。为了便于观察管壁内部的流体流场情况，先选择管壁长度为640 mm，筒体直径为100 mm，建立的模型图如图4（b）和图4（c）所示。

212数字建模

针对三角形管壁叶片式静态混合器做出如下假设：混合管中的流体不可压缩并连续，流场分布并不随时间变化，而且温度恒定，无重力影响[56]。

22CFD网格划分及模拟计算

221网格划分

本研究采用Ansys Workbench的CFD进行网格划分，先使用Pro/e软件进行建模，然后导入到Ansys Workbench中的Fluent功能里，再导入到Geometry中对管壁的内部进行“填充”并分别对叶片、管壁、静态混合器的出口及入口进行选择和命名；完成后，保存并打开Mesh功能，对此静态混合器的整体和叶片分别进行网格划分，网格划分结果如图5所示。

222边界条件设置

以水作为流体介质，并选用kepilon湍流模型，流体进入速度初步定为5 m/s，流体的其余参数（温度和压力）设定均使用默认值。

23计算结果与分析

231流体在静态混合器中的运动轨迹

速度流线图将流场内流体的运动轨迹和方向以流线的形式表示出来，其可以直观地显示出流场内流体的流动情况，包括流体流动方向及流动的总体趋势。

三角形管壁叶片式静态混合器内部的流场如图6所示，其中，图6（a）为速度流线图，图6（b）为x-y截面上的速度流线截面图。从图6可见，流体在静态混合器内部发生了旋转和混合。由图6（a）管壁内部流场的速度流线图可知，三角形管壁叶片式静态混合器内部的流场在流动动力的推动下被管壁内部的叶片切割和分隔，随着流体从静态混合器入口处进入以及叶片作用面的增加，流体发生分隔的效果越加明显，直到脱离叶片尾部后发生混合。以上过程显示了静态混合器内部流场的流体在叶片作用下发生的动态变化，该静态混合器可对流体产生混合作用。

232流体在静态混合器中的速度分布

流场速度云图可以直观地反映管壁内部流场各部分流体的速度变化情况。图7（a）为管壁内部x-z截面和y-z截面处流场速度云图，其上端为静态混合器入口处，下端为静态混合器出口处。由图7（a）可看出，流体刚进入静态混合器时的速度不变，遇到叶片时，其速度加快。图7（b）为叶片前端流场速度云图。由图7（b）可知，流体在初遇叶片时中心部位的速度不变，而在叶片两侧的速度均有提高。图7（c）为叶片末端的流场速度云图。由图7（c）可知流体中央部位的速度变化情况，脱离叶片处的流体速度最快，叶片尖端部位的流体速度降低，其他部位的流体图4数值模拟物理模型图5网格划分结果图图6流体在静态混合器中的运动轨迹图7流体在混合器中速度分布速度提高。综合对比以上分析可知，在叶片的作用下，同一截面处的流体速度会发生变化，使得同一截面处的流体速度局部加快及局部减慢，正因此种效果使得流体发生翻转和混合。

湍流动能图可直观地反映流体流场的湍流情况，观察图7（d），截取图为管壁内部叶片末端的湍流动能图，即流体在即将脱离静态混合器内部的作用部件时所受到的影响。由图7（d）可知，在混合器内部构件，即3个呈120°均匀分布的三角形叶片的强制作用下，流体被迫发生了湍流流动，且叶片两侧湍流动能的强度提高效果最明显。

233流体在静态混合器中的压力分布

压力云图可宏观地反映流场内压力的变化情况，通过压力变化可了解流体流场的变化情况。本次模拟结果选用4组压力云图进行分析，结果如图8所示。图8（a）是流体在静态混合器入口方向上的压力云图。由图8（a）可知，流体在叶片初始位置的压力最大，随着流体向管壁内部流动，流体压力逐渐减小，表明流体因受到叶片的强制性作用，压力发生了变化。

图8（b）为静态混合器出口方向上的流体压力云图。由图8（b）可见，流体在静态混合器出口初始位置的压力最小，然后逐渐增大，直至叶片末端后，压力呈逐步上升趋势。综合比较图8（a）和图8（b）可知，管壁内的流体在刚受到叶片的作用时，由于叶片的作用面积小，流体的压力变化不大；随着流体在管壁内部流动的深入，并与叶片的接触面积逐渐增大，叶片对流体的作用逐渐增大。由以上分析可知，流体在叶片的作用下发生了流动的变化。

图8（c）反映流体刚接触到叶片前端时受到叶片作用而产生的压力变化。由图8（c）可知流体在叶片两侧压力的增大和减小。

图8（d）是流体在经过叶片末端、出流场的压力变化图。与图8（c）比较可知，流体中央处的压力减小并发生规则变化，在叶片作用以及流体动力的推进下，流体的流动状态发生改变。

综上分析可知，随着流体与静态混合器内部构件图8流体在静态混合器中的压力分布叶片接触面积的逐渐增加，流体的压力不均匀分布，使得流体发生混合。

234轴向变化折线图

为了便于观察静态混合器内部不同部位处流体的变化情况，分别象征性地选择了流场中心部位、靠近叶片部位、叶片末端部位，紧邻叶片部位、叶片中心部位和叶片前端部位这8条代表性流线为参考基准（见图9）并进行数据的采样和观测。

图9选取流场中的8条代表性流线静态混合器内流体的速度、压力和湍流动能的变化折线图如图10所示。由于静态混合器的入口方向为z轴负向，所以图10中x轴负向为流体的流动方向。

选取的8条参考流线所代表位置的流体速度变化情况如图10（a）所示。由图10（a）可知，当流体直接作用在叶片上时，3条参考流线处的速度变化最大，其余没有直接作用在叶片上的参考流线处的速度变化较小。变化最大的折流线显示的是作用在叶片末端的流场速度变化情况，该位置的流场速度较其他位置流场变化明显。总体来看，整个流场以相同的速度进入静态混合器，与静态混合器叶片发生碰撞等直接作用后，在叶片位置的流场速度变化明显，其他位置的流场速度变化稍小；随后，流体由于在各位置的速度波动而发生的相互碰撞导致整个流场各位置处的速度均有明显变化，进而在叶片末端使流体发生混合。

选取的8条参考流线所代表位置的流体压力变化情况如图10（b）所示。由图10（b）可知，整个流场以相同压力进入静态混合器，直接作用在叶片末端位置处的流场压力变化最大，其余位置的流场压力皆有明显程度的变化；作用在叶片附近处的流场压力先是突变，进而缓慢变小，最后趋于相同。由此可得知，流体的压力在叶片的作用下发生了强制性的变化，同一截面处的压力不同使得流体发生内部的挤压碰撞和混合。

图10流体速度、压力和湍流动能变化折线图选取的8条参考线所代表位置的流体湍流动能变化情况如图10（c）所示。由图10（c）可知，流场内首先接触并直接作用在叶片前端位置处的流体湍流动能变化最明显，其余部位均有明显的湍流动能变化。由此可知，流体由于受到叶片的切割、分离、混合使得流体内部产生了湍流。

以上内部流场数学模拟获得的图形和数据可直观地反映出流体在三角形管壁叶片式静态混合器内流场不同位置以及整体上发生的速度、压力、湍流动能的变化。由以上分析可知，三角形管壁叶片式静态混合器内的叶片可以有效地把流体内的流场进行切割、分离并最终使其发生混合，改变了各位置处流体的速度大小和方向、压力大小及湍流情况，表明该新型静态混合器不仅结构简单，而且具有良好的混合效果。

3实验验证

31实验目的与装置

为了进一步验证本课题组研发的三角形管壁叶片式静态混合器的效果，建立一套如图11所示的实验装置。图11中，4为被测静态混合器实验单元，静态混合器有2种，一种为本课题组研发的三角形管壁叶片式静态混合器；另外一种为标准型Kenics静态混合器（见图12）[7]，每種混合器采用2个单元节。该套实验装置主要测量流体物料经过静态混合器时的压力降、流速变化及分布、挂浆情况。其中，小型中浓浆泵型号为GNF292，流量15 m3/h，扬程≥30 m，转速960 r/min，功率15 kW，进出口直径33 mm，配套电机型号Y100L6。流量计选为XSLDC纸浆流量计，流速范围02～8 m/s。

图11三角型管壁叶片式静态混合器

效果验证实验装置示意图图12标准型Kenics静态混合器结构原理图32实验方法

物料为经过打浆后的漂白针叶木浆。测定浆浓分别为0（清水）、02%、05%、10%、15%、20%、25%、30%的流体物料经过2种静态混合器时的压力降、流速变化及分布、挂浆情况。纸浆泵扬程为32 m。

压力降通过静态混合器两侧的压力表测定；流速分布采用实验室用高速摄像机（Phantom V611，12位SRCMOS图像传感器，分辨率1280×800，速度6242帧/s）测定，测定时加入微量的染色纤维；挂浆情况的分析方法为：流体物料在静态混合器流经20 min后，将静态混合器拆卸并竖起观察。

33实验效果分析

331流体物料在2种静态混合器中混合的压力降对比

不同浆浓条件下，流体物料在2种静态混合器中混合前后的压力降如图13所示。

图13不同浆浓下流体物料在静态混合器中

混合前后的压力降变化曲线由图13可知，浆浓低于05%时，流体物料在2种静态混合器中混合前后的压力降基本相同；浆浓超过05%后，流体物料在标准型Kenics静态混合器混合前后的压力降逐渐明显增大（呈正指数上升，可判断纸浆出现非牛顿流体特性）；当浆浓达到3%时，流体物料在三角形管壁叶片式静态混合器混合前后的压力降比在标准型Kenics静态混合器混合前后的压力降低26%。

332流体物料在2种静态混合器中的流速变化与分布对比

浆浓低于02%时，流体物料在标准型Kenics静态混合器中的流速变化快，且局部湍流（小涡流）范围大；而流体物料在三角形管壁叶片式静态混合器中的流速变化过渡相对平稳。浆浓超过05%时，流体物料在标准型Kenics静态混合器中的流速变化逐渐减小，局部湍流（小涡流）范围明显收敛，但在叶片平直板口入口处，浆料流动的受阻明显增大。当浆浓高于2%时，流体物料在这2种静态混合器中的混合流速变化相当。本课题组研发的三角形管壁叶片式静态混合器中的流体物料流速变化过渡相对平稳，浆料流动的阻力极小，且浆料流旋转作用更好。

3332种静态混合器的挂浆情况对比

浆浓低于02%时，标准型Kenics静态混合器基本不挂浆，而三角形管壁叶片式静态混合器不挂浆。浆浓超过05%时，标准型Kenics静态混合器挂浆明显增加，浆浓达3%时，挂浆十分明显；而三角形管壁叶片式静态混合器未出现挂浆现象。

3342种静态混合器的混合效果对比

從高速摄像机获得的彩色浆料纤维微观分布图和数据分析可知，这2种静态混合器的混合效果基本相当。

3352种静态混合器对某些高分子化合物的剪切破坏作用比较

众所周知，造纸过程常用助留剂（单元和双元系统）是以高聚物为主。常用的定着剂为聚胺（Polyamine）、聚二烯丙基二甲基氯化铵（Polydadmac）、聚丙烯酰胺类和聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine）。这些助留剂因絮凝所产生的絮团极易受剪切力作用破坏。纸机上浆系统中产生剪切力最大的设备是冲浆泵和压力筛，为了避免强剪切力破坏絮团，使用助留剂时通常需要把至少一个化学品加在压力筛之后，而不能把所有的助留剂加在压力筛前[3940]。

“混合元件叶片的挂浆”即意味着对某些高分子化学品产生“剪切作用”。实验结果表明，标准型Kenics静态混合器运行一段时间后有明显挂浆现象，尤其是浆浓较高时，而三角形管壁叶片式静态混合器不挂浆。所以三角形管壁叶片式静态混合器不易对某些高分子化合物产生剪切破坏作用。

4结论

为满足造纸生产过程越来越多的通过静态混合器添加各类化学品的发展要求，同时为解决传统静态混合器的挂浆、破坏某些高分子化学品结构、混合器结构复杂和易堵塞不易清理等问题，本课题组研发了三角形管壁叶片式静态混合器。

41三角形管壁叶片式静态混合器是一种创新型静态混合器，其内部构件特征为：混合叶片是直接由制作混合器筒体所用的管材切割形成的三角形管壁叶片，3片叶片呈120°均匀分布在内壁上。如果混合器单管筒直径较大，或者在单元节内希望进一步提升流体物料的分隔和旋转程度，可再在管内壁的3个叶片两两中间加焊3个小三角形叶片。

42FLUENT的流场模拟分析结果表明，该静态混合器基本单元节内能够实现被混合流体物料的“逐渐分隔、旋转、汇合”的变化，从而达到有效均匀混合的目的。

43当浆浓低于05%时，流体物料在三角形管壁叶片式静态混合器和标准型Kenics静态混合器中混合前后的压力降基本相同；浆浓超过05%后，流体物料在标准型Kenics静态混合器混合前后的压力降逐渐明显增大（呈正指数上升，可判断纸浆出现非牛顿流体特性）；当浆浓达到3%时，流体物料在三角形管壁叶片式静态混合器混合前后的压力降比在标准型Kenics静态混合器低26%。

44浆浓低于02%时，流体物料在标准型Kenics静态混合器中的流速变化快；当浆浓大于2%时，流体物料在这2种静态混合器中的混合流速变化相当。总体上，本课题组研发的三角形管壁叶片式静态混合器中的流体物料流速变化过渡相对平稳，浆料流动的阻力极小，且浆料流旋转作用更好。

45当浆浓低于02%时，标准型Kenics静态混合器基本不挂浆，而三角形管壁叶片式静态混合器不挂浆。浆浓超过05%时，标准型Kenics静态混合器挂浆明显增加，浆浓达3%时，挂浆十分明显；而三角形管壁叶片式静态混合器未出现挂浆现象。因此，三角形管壁叶片式新型静态混合器不仅具有良好的的混合效果、不易挂浆、对高分子化合物不会产生剪切作用、流阻小，且其方便制造，叶片生产成本低、便于更换和维修。

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