混合强化技术在喷气燃料在线添加防冰剂中的应用展望

魏一方，雷玉莹

1.海军研究院特种勤务研究所，北京，102400，2.海装驻上海地区第八军事代表室，上海，200001

0 引言

液液混合技术在精细化工、冶金工业、制药工业、环保工业、生物工程等领域均有着广泛应用。两种或多种液体通过混合，改变原有的物理或化学性质，以满足生产和使用需要。随着现代工业的发展和生产工艺的进步，液液混合技术也得到了长足的发展，根据不同的应用场景和应用领域，目前常用的强化混合方法有搅拌混合、喷射流混合、撞击流混合、静态混合、动态混合等。特别是近些年计算机流体力学和人工智能的应用，使液液混合过程的研究更加直观和有说服力。本文针对多种强化混合技术在研究方面取得的成果进行综述，分析各种技术的特点，对如何在喷气燃料在线添加防冰剂过程中应用流体强化混合技术，提出自己的建议，为下一步的计算机仿真分析及工业化应用打下基础。

1 液液混合机理

液液混合过程主要依赖于层流混合和湍流混合。粘度较大的液体间的混合一般是通常为层流混合，实际工业生产中涉及的液体物料粘度大多比较低，在混合过程中多通过湍流混合实现。湍流的混合机理相对层流更为复杂，当两束液体混合时，可根据涡旋的大小分为宏观混合、介观混合和微观混合，从运动方式上看，可对应为主体对流、涡旋运动和分子扩散。流体在湍流的拉伸、剪切作用下，通过互换位置进行物质传递，三种混合随着涡旋的变形、分割依次进行，但在一定程度上也是在同时进行，直到涡旋微团尺寸足够小时，分子间的扩散使混合物在分子水平上达到高度的均一性[1]。依据Fick定律t～d2/D，两种混合流体处于同一通道内时，由于分子扩散的路径被大大缩短，依靠分子自身的扩散就可以实现快速均匀的混合[2]。而涡旋形成的时间一般大于分子扩散需要的时间，所以涡旋形成的快慢一般决定了混合的效率。

2 强化混合技术

2.1 搅拌混合技术

传统搅拌混合方式分为机械搅拌和气流搅拌，气流搅拌由于搅拌能力较弱，通常只应用于低粘度物料搅拌混合。在工业生产中主要采用机械搅拌的方法，约有85%的液液混合是通过机械搅拌的方式完成，机械搅拌设备主要由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌釜设计属于非标准设计，在搅拌釜机械设计和工业设计方面，赵述芳[3]等人采用平面激光诱导荧光技术对姜黄纳米颗粒制备过程中的使用的搅拌釜的尺寸、搅拌形式、搅拌转速等因素进行深入研究，刘凯[4]利用CFD技术证明了六折叶搅拌桨搅拌效果明显优于六直叶搅拌桨，李冰[5]等人探究了刚柔组合的搅拌桨叶结构变化对搅拌效果的影响，张晓雨[6]等人对六斜叶、六直叶、Rushton涡轮进行数值模拟研究，蒋宇健[7]通过数值模拟方法研究了搅拌桨距变化对搅拌效果的影响。刘昭良等[8]人研究了双旋涡轮叶片数、叶片及中心轴开孔等因素对混合过程中流场的影响Zhuan[9]、Li[10]等人设计了新型双旋流搅拌器和十字环面桨式混合器，并进行了数值模拟。对于搅拌过程中的流体运动方面，陶保林[11]、杨义[12]、熊仲营[13]、Hadane[14]等通过计算流体技术模拟了磷酸搅拌过程中固-液两相流场特点、固体颗粒分散方式、搅拌功率等，贾慧灵[15]等通过仿真研究了锥盘底固液混合时的液体浓度场分布，李希铭[16]等人在颗粒动力学理论基础上模拟了带档板的圆盘涡轮桨式搅拌器内的固液流动。除此之外，赵洋[17]对新型搅拌技术中的气流搅拌进行了探索。搅拌混合技术经过长期发展在工艺上有很大的改进，但自身依然存在轴封泄露、混合死区、混合均匀度不够、不能连续化生产等问题。

2.2 喷射流混合技术

射流混合技术最早由Fossett和Prosser[18]提出，经过70多年的发展，已成为工业生产中液液混合的常用技术之一，实现方式是通过喷射器将一种液体流以一定角度高速喷射到另一种相对流速较慢的流体中进入混合室，由于两种液体间的速度和压力差，两种液体进行质量、动量及能量交换，实现液液混合，随后混合流随主流体一同流动实现混合。目前随着现代计算流体技术发展，国内外学者对射流喷射混合技术开展了大量研究，主要集中在喷射器设计，结构优化、射流混合时间。陶海[19]等人通过设计的强化辐射床式环流喷射反应器，运用二维粒子图像测速系统研究了喷射器内的流场结构、流体的速度、动能、涡量等参数，考察了喷射器出口结构对反应器流体性能的影响。林柯利[20]等采用平面激光诱导荧光技术研究了喷射流混合过程中不同操作条件对混合效果的影响，毕荣山[21]等建立了液液宏观混合和微观混合模型，对喷射器的结构参数进行了研究，利用两环境矩直接积分模型，研究了喷射器内液液平行-竞争反应体系。Coldrey[22]的研究表明射流通过侧面斜入射能够减少混合时间，并证明了混合时间与喷射口的射流雷诺数无关。Patwardhan[23]等用电导法研究了喷嘴直径、喷嘴处入射速度及角度等对射流搅拌混合时间的影响。Wang[24]等设计了新型同轴相对射流混合器，通过数值模拟的方法研究了其内部的流体流动及混合特性。Manjula[25]等用电导法研究了两个射流喷嘴存在同时喷射的情况下，喷嘴的相对位置和角度与混合时间的关系。Zughbi等[26]对混合过程中不同射流位置分布进行研究，射流搅拌槽内射流。利用实验和数值模拟方法验证了非对称射流在混合效果方面比对称射流更好。射流混合技术由于需要将液体进行高速喷射，在能量消耗方面较大，在大流量液体喷射时的混合喷射效率会影响到混合时间，同时在远程控制方面其反应速度会明显低于电路中的电子器件，并且容易堵塞，所以应用场景具有一定的局限性。

2.3 静态混合技术

静态混合器主要依靠自身的流动实现液液混合，如今在工业化生产方面也应用十分广泛，可满足多种不同相流体之间的混合。主要混合思想是“分割-位移-汇合”，在位移、变形过程中出现湍流时，断面还会出现强烈的涡流，对流体进行分割，进而实现充分混合。静态混合器最早出现在20世纪70年代，国外开始出现Kenics、Sulzer、Ross、Hi等型号静态混合器，从80年代开始，我国开始研发并于90年代制定出标准的SK型、SV型、SX型、SH型、SL型5种类型的混合器。其中应用最广泛的是SK、SV型，SK型更是工业界认可的标准静态混合器。目前，对静态混合器中液液分散的研究主要集中在分散混合性能方面。龚斌等[27]、张春梅等[28]等通过实验研究，计算了静态混合器中流体在层流流动状态和湍流流动状态下受到的阻力，并拟合出流体阻力理论计算方程。王修刚[29]、Jianhua W[30]等通过实验数值模拟的方法研究了静态混合器中液液在层流和湍流状况下的分散过程。高祖昌[31]等设计了四旋混合器，从结构上对SK型静态混合器进行了优化，提升了混合效果。赵建华[32]等利用粒子映像测速（PIV）技术测量了静态混合器出口处的流场分布,同时与计算流体力学计算结果进行了比较，张鸿雁[33]等通过大涡旋模拟方法对比了3种具有不同内部结构的静态混合起的混合效果，研究了混合过程中流场和浓度场分布，李治建[34]等设计了一种静态混合装置，通过Polyflow对SK、SX型静态混合器中聚乳酸熔体的流量压降、温度场分布、混合场粒子轨迹、剪切速率、剪切应力等进行研究，研究了混合原件数量对混合性能的影响。王宗勇[35]等通过研究多流道螺旋混合器在层流状态下的液体混合特性和混合效果，发现通道的增加能够提高管道中流体的混合均匀程度。张吕鸿[36]等将SX型和SK 型混合器二者结合设计出一种新型混合器，通过高黏度液体混合实验验证了该混合器的性能，能够很好的满足工业混合应用要求。谷王[37]对传统SK 型静态混合器进行了改良，在混合器内部螺旋片上增加了缝隙，实验证明缝隙能够增加流体在轴向和径向方向的混合，提高了混合效率并降低耗能，具有一定应用价值。静态混合器具有设备简单、维护费用低、耗能少等特点，但也存在着内部结构复杂，在有固体产物产生时，容易造成堵塞，清理困难的问题。

2.4 动态混合技术

动态混合是指在混合过程中，流体和混合部件都处在相对运动的状态。动态混合器一般是在壳体或管道内安装运动部件，相比于静态混合器，动态混合部件由于其本身的运动，会对其中的流体进行更频繁的切割、分流、挤压等作用，使流体的流动情况更加复杂，达到液液快速混合效果，特别是对高粘度物料的混合效果更好。动态混合器的设计没有固定形式，所以目前大多数研究集中在不同类型运动部件设计及混合效果的研究。刘娇[38]在组合转子强化传热理论基础上，对混合器转子排列方式进行了优化设计，模拟仿真研究了低流阻和螺旋阶梯转子的最佳组合方式，讨论了转子偏心程度对混合特性的影响。张文强[39]研究了球穴交错排列结构混合部件在熔体直纺中的应用，模拟仿真了动态混合过程中的压力场和温度场变化，杨优生[40]通过实验研究了固液混合中过程中随动式动态混合器的混合特性，对不同结构转子、不同流体流速、不同两相流交汇方式对混合效果的影响进行了分析。彭世金[41]等设计了一种新型动态混合器，通过实验仿真验证了其中的主动旋转叶轮在动态混合过程中会使流体产生更加复杂的流动和涡旋，相对于传统混合器具有更好的混合效果。郑勐[42]等设计出一种带有16个旋转叶片的动态混合转子，用于混合浇筑行业的动态混合器，通过实验证明该混合器在混合环氧树脂与甲基纳迪克酸酐溶液中有很好的混合效果。动态混合器以其优秀的混合效率与混合效果成为未来研究的热点，但动态混合器现在还缺乏相应的标准规范，在标准化应用方面还需要进一步探索，同时其内部的复杂结构也导致了其制作成本相对较高。

3 喷气燃料防冰剂添加现状

喷气燃料中的防冰剂通过结合燃料中的水分，防止在低温环境下燃料中水分析出结成冰晶，堵塞飞机燃料系统，避免安全事故的发生。然而在喷气燃料运输、存储、使用过程中，难免会从环境中吸入一定的水分，水含量的增加会中和喷气燃料中的防冰剂，导致其含量低于标准要求，降低油料的品质。当喷气燃料中防冰剂含量不达标时，需进行一定比例的补加。

目前防冰剂补加的方法主要是针对储存罐中的喷气燃料进行离线补加，一种方法是在流动喷气燃料中直接接入对应比例的防冰剂，依靠液体的流动和循环完成混合，另一种是首先将防冰剂和部分喷气燃料通过搅拌形成母液，再通过接入喷气燃料管道中进行循环，最终完成混合。未来为实现喷气燃料防冰剂在线加注技术，必须要解决传统补加混合方式中遇到的混合效率低、混合效果较差、混合时间较长的问题。

4 展望

根据强化混合技术的研究现状，未来研究可选择多种强化混合技术结合的方式来提升喷气燃料与防冰剂的混合特性。防冰剂在喷气燃料中的含量要求一般控制在0.1%～0.2%之间，可以看出需混合的两种液体的量相差较大，首先可选择射流混合技术，将防冰剂喷射到一定量的喷气燃料之中形成母液，完成防冰剂在母液中的初次混合，随后利用动态混合器，将喷气燃料母液与主管道相连，实现喷气燃料与防冰剂的再次混合，这样通过两次强化混合可以使防冰剂分子更快地扩散到喷气燃料中，提高混合质量。在整体研究过程中应通过计算流体力学仿真的方法，充分研究喷射流和动态混合过程中混合流的流场、温度场等，通过对喷射器、动态混合转子进行结构设计，调整和优化混合过程中各有关参数实现装置混合特性的提升。