搅拌器表面粗糙度对搅拌性能影响的实验研究*

付双成,李芦雨,付 飞,张 祥,刘晨曦

(1.常州大学 机械与轨道交通学院,江苏 常州 213164;2.江苏省绿色过程装备重点实验室,江苏 常州 213164;3.树优(宁波)科技有限公司,浙江 宁波 315043)

0 引 言

目前,搅拌器在石油、化工、食品等行业中已经得到了广泛应用。

国内外对搅拌器结构的优化研究有很多,在对搅拌器进行优化设计时,主要集中在对叶片结构形状的改变上[1-3]。设计时未考虑搅拌器表面粗糙度带来的影响,将搅拌器叶片表面做成光滑表面。

与高速旋转的叶轮机械不同,搅拌器搅拌过程流速较低,其目的是增加流体的流动促进混合,以实现流体的均匀混合。改变其叶片表面粗糙度,能够改变叶片表面流体边界层流动特征与流体的随动,从而改变其混合效果。

针对叶轮机械叶片表面粗糙度问题,学者们已做了很多研究工作。对表面粗糙度影响的研究可分为两类,即对整体位置粗糙度的影响和对局部位置粗糙度的影响。

在对整体位置粗糙度的研究中,SOLTANI M R等人[4]经过研究发现,粗糙度能显著降低风力机的性能,并能够推迟风力机失速现象的发生。在对结冰翼型空气动力学进行研究时,BRAGG M B等人[5]的研究结果表明,升力系数最大值的减小量依赖于其粗糙度的大小以及其位置。BAI T等人[6]对涡轮机叶片表面粗糙度的研究表明,粗糙度引起的气动性能损失还会受到雷诺数的影响。

在局部位置粗糙度的研究中,王娜等人[7]研究了粗糙带破损对翼型气动特性的影响,她们的研究发现,翼型前缘7%位置3 mm宽的金刚砂粗糙带破损后,会使激波位置出现小幅度的移动,而后缘压力分布所受影响较小。MARZABADI F R等人[8]在研究前缘粗糙度对振荡翼型边界层转捩的影响时发现,导边粗糙度会使转捩点向导边移动,使其分离提前发生,效率降低。

上述研究都是基于气体介质工况开展的。而对于液体介质工况下,设备表面粗糙度的相关研究报导甚少。

针对搅拌器使用过程中,出现桨叶表面磨损、颗粒黏附等造成表面粗糙度增加的问题,笔者采用实验的方法,对不同粗糙元位置和粗糙度大小条件下,液体的混合时间及搅拌轴扭矩进行测试,分析不同转速条件下,桨叶表面粗糙度对混合特性及能耗的影响规律,为故障诊断及操作优化提供参考。

1 理论分析

在搅拌过程中,搅拌器推动流体流动,流体相对于搅拌器进行绕流流动,在搅拌器叶片表面形成边界层。

边界层分离发生的根本原因是壁面的阻滞与流体的黏性。叶片表面粗糙度发生改变实质上就是改变了其边界层结构,进而影响到流场特征。因为壁面的阻滞源于壁面粗糙度,所以壁面粗糙度改变势必会对边界层分离产生影响,从而影响流场。

对于考虑壁面粗糙度的壁面上流体流动,笔者采用经修正的时均速度壁面律公式,即[9]:

(1)

(2)

式中:Ks—实际粗糙度高度。

对于均匀的沙粒型粗糙度,Ks可直接取颗粒高度;对于非均匀的沙砾型的粗糙度,Ks可取其平均粒径D50。

2 实验条件和方法

2.1 实验装置

实验装置(搅拌实验台)如图1所示。

图1 搅拌实验台1—扭矩耦合器;2—搅拌轴;3—挡板;4—搅拌槽;5—UImeter电压表6—搅拌器;7—可升降式搅拌槽平台;8—转速调节器手持终端;9—搅拌槽平台升降调节手轮;10—驱动电机

图1中的实验装置由电机、搅拌轴、搅拌器、可升降式搅拌槽、挡板等部件组成。其中,搅拌轴直径Da=25 mm,推进式搅拌器型号为TXL150-20;搅拌槽由透明有机玻璃制成,在实验过程中可观察槽内流体的流动情况;封头为椭圆形封头,筒体内径D=300 mm,封头深度Lh=100 mm;4块挡板均匀布置在搅拌槽四周,挡板宽度Wb=15 mm,挡板下端离底高度Hb=140 mm。

实验中,搅拌轴在电机的带动下转动,通过转速调节器手持终端调节转速。根据实验设备性能,笔者确定其转速范围为n=120 r/min-600 r/min;搅拌器离底高度可通过手动调节搅拌槽高度进行调节,实验中搅拌器离底高度为150 mm;在搅拌槽中加入清水,深度Lw=350 mm;在搅拌轴上安装有扭矩耦合器,可测量出搅拌扭矩信号并将经过处理后的信号以扭矩形式输出。

2.2 叶片表面粗糙度设置

在研究叶轮机械叶片表面粗糙度时,通常采用在叶片表面设置粗糙元的方法,以此来改变叶片表面的粗糙度,这些粗糙元包括砂纸、金刚砂等。笔者对比研究微观粗糙元和宏观粗糙元。

实验所用搅拌器叶片表面粘贴有粗糙元,如图2所示。

图2 叶片表面粘贴有粗糙元的搅拌器

微观粗糙元采用砂纸,即通过在搅拌器叶片表面粘贴砂纸来设置叶片表面的粗糙度。实验中笔者采用了3种目数的砂纸:24目、36目和150目。笔者根据文献[10]查得3种砂纸研磨颗粒粒径分别为0.7 mm、0.4 mm和0.106 mm。砂纸表面的研磨颗粒只有一半显露在外,叶片表面粗糙度高度Ks应取为研磨颗粒半径,即0.35 mm、0.2 mm和0.053 mm。

此处的宏观粗糙元采用塑料半球,在叶片表面设置宏观粗糙元,以改变叶片表面的宏观形态,借此与微观粗糙元进行对比分析,考察大颗粒对混合性能的影响。

塑料半球半径有两种规格:3 mm和4 mm,分别记为R3和R4。实验所用搅拌器叶片表面粗糙度为0.012 5 mm,该粗糙度值非常小,因此,在实验中笔者将该粗糙度搅拌器叶片视为光滑表面。

2.3 粗糙度位置选取

搅拌器在流体中的转动可认为是流体在叶片表面的相对绕流,及在合适条件下的流动分离。因此,可对流体绕流和流动分离的产生过程进行分析,进而推测会对流动分离产生影响的粗糙度位置。

笔者将表面粗糙度位置分为整面位置与局部位置两类。其中,整面位置包括全叶片表面(压力面+吸力面)、吸力面和压力面3种;局部位置包括吸力面导边、吸力面叶根、压力面随边、压力面叶根和压力面叶尖5种。

局部粗糙度具体位置如图3所示。

图3 局部粗糙度位置

2.4 实验方法

2.4.1 功率

搅拌功率标志着搅拌过程中动力的投入,不仅是衡量能耗的指标,也间接反映了流体湍动情况。搅拌功率P是可以通过测量扭矩M的方法间接获得的,其计算公式如下:

(3)

式中:P—搅拌功率,w;M—采集到的平均扭矩值,单位为Nm;n—转速,r/min。

2.4.2 混合时间测定

粗糙度对流场产生的影响最终会反映到混合时间上面。

混合时间也是搅拌实验研究中的一个重要参数。混合时间的测量方法有:电导率法[11]、温差法[12]、pH法[13]、褪色法[14]、电阻抗断层成像法[15]等。

此处混合时间的测量采用电导法,通过惠斯通电桥测量桥路中间的电势差来得到混合时间。

测量电导率的惠斯通电桥如图4所示。

图4 惠斯通电桥电路

电源为电压12 V直流电源,电阻R1与R2定值电阻,阻值均为10 Ω。

电压表为UImeter如图5所示。

图5 UImeter电压表

电压测量精度为0.1 mV。实验中设定采样频率为1 Hz,采用在线测量方法,将UImeter与电脑连接,通过驱动软件记录测量到的电压。

测量原理为:电极1和2分别布置在测量点A(-110,0,280)和测量点B(-70,0,15)处,两测量点分别在挡板两侧,实验时测量电路与电极均固定在内壁面上。加入电解质之前,A点与B点电势相等,电压表示数为0;加入电解质后,测量点处电解质浓度变化改变了电导率,电压表的示数值也会发生改变。电解质达到均匀分布状态时,电压表示数就会稳定于0值。

实验记录下电压表示数随时间的变化过程,找出从加入电解质到电压表测量电压值稳定所需时间。实验中所用电解质采用NaCl,混合均匀的判定准则为加入NaCl后搅拌槽内两测量点间的电势差稳定而不再变化,电势差达到稳定所需时间即为混合时间。

3 实验结果与讨论

3.1 功率分析

3.1.1 不同位置粗糙度对功率的影响

实验中,笔者将粗糙度[16，17]大小固定,即粗糙度高度Ks取固定值。实验中采用目数相同的砂纸来固定粗糙度大小,选取24#砂纸,粗糙度高度Ks=0.35 mm。改变粗糙度位置和搅拌器转速,分析粗糙度位置在不同转速范围内对搅拌功率的影响。

(1)整面粗糙度对功率的影响。

叶片整面粗糙度对功率的影响如图6所示。

图6 叶片表面设置整面位置粗糙度的功率

从图6可以看出:叶片的3种整面粗糙度都会使搅拌功率增大,压力面粗糙度的功率始终低于全叶片表面粗糙度的功率,而吸力面粗糙度的功率则呈现另一种情况;在120 r/min-300 r/min转速范围内,吸力面粗糙度功率低于全叶片表面粗糙度的功率;在300 r/min-600 r/min范围内,吸力面粗糙度功率却与全叶片表面粗糙度功率相当。

上述结果说明,在120 r/min-300 r/min转速范围内,吸力面粗糙度会增大压力面粗糙度对功率的影响,二者之间能够产生叠加效应,使全叶片粗糙度的功率高于二者单独作用时的功率;在300 r/min-600 r/min范围内,吸力面粗糙度并不会对压力面粗糙度功率的作用产生明显影响,二者之间不会产生叠加效应。

比较两个单面粗糙度发现,在120 r/min-300 r/min转速范围内两者功率相等;在300 r/min-600 r/min范围内,压力面粗糙度功率低于吸力面粗糙度的功率。

(2)吸力面局部粗糙度对功率的影响。

吸力面局部位置设置粗糙度时的功率如图7所示。

图7 吸力面局部位置设置粗糙度的功率

从图7可以看出:吸力面两个局部位置处的粗糙度亦能影响功率,同时在不同转速范围内情况也不相同。在120 r/min-300 r/min转速范围内,吸力面导边与吸力面叶根两个局部位置处设置粗糙度时的功率与吸力面整面设置粗糙度时的功率大致相当;在300 r/min-600 r/min转速范围内,吸力面导边处设置粗糙度时的功率高于吸力面叶根处设置粗糙度的功率,同时又低于吸力面设置粗糙度时的功率。

(3)压力面局部粗糙度对功率的影响。

压力面局部粗糙度对功率的影响曲线如图8和图9所示。

图8 压力面随边处粗糙度的功率

图9 压力面叶尖和叶根处粗糙度的功率

从图8可以看出:与光滑叶片功率相比,压力面随边处设置粗糙度时,功率并无明显的增大或减小,说明此处设置粗糙度对功率影响较小。

从图9可以看出:在压力面叶尖和叶根处这两个局部位置设置粗糙度,在多个转速下,其产生的功率均略低于光滑叶片的功率,这说明压力面叶根与叶尖位置的粗糙度能够使搅拌功率降低;压力面叶根处设置粗糙度可以降低功率,减小能耗。

3.1.2 粗糙度大小对功率的影响

在研究粗糙度位置影响的实验中,笔者发现压力面叶根处粗糙度和吸力面整面粗糙度对扭矩的影响较大,故选取这两个位置设置不同粗糙度进行实验研究。粗糙度的大小为微观粗糙0.053 mm、0.2 mm、0.35 mm与宏观粗糙元R3和R4。

笔者在吸力面设置大小不同的粗糙度产生的功率,如图10所示。

图10 在吸力面设置不同粗糙度时功率与转速的关系

从图10可以看出:在120 r/min-300 r/min转速范围内,不同的粗糙度对功率影响的差异不是很明显,在300 r/min-600 r/min转速范围内,不同粗糙度对功率影响的差异较大。这说明微观粗糙度对扭矩的影响在低转速时不明显,而在高转速时较为明显。其中,对于0.053 mm、0.2 mm和0.35 mm这3个微观粗糙度,粗糙度越大,相同转速下的功率越大;

在压力面叶根设置大小不同的粗糙度产生的功率如图11所示。

从图11可以看出:无论是微观粗糙度还是宏观粗糙元,其均能使搅拌功率降低,尤其是在360 r/min-600 r/min转速下;

图11 压力面叶根设置不同粗糙度时功率与转速的关系

对于3个微观粗糙度,其值越大,功率降低比例越大;对于两个宏观粗糙元,二者功率大致相当。

3.2 混合时间分析

下面对原始数据进行初步处理,时间0为加入盐的时刻。实验结果显示:两测量点间电势差在加入盐后经过剧增与逐渐降低后又回归稳定值的过程。但是,即使电势差最终处于稳定水平时其仍有震荡,采用MATLAB对数据进行中值滤波处理,使数值曲线平滑光顺,便于对比分析。

转速为180 r/min工况下的电势差如图12所示。

图12 转速180 r/min时两测量点间电势差与时间的关系

从图12可以看出:光滑叶片的混合时间为7 min,其它两种粗糙度结构的混合时间为6 min,时间缩短约14%。

转速增加到360 r/min时,不同表面粗糙度叶片的电势差如图13所示。

图13 转速360 r/min时两测量点间电势差与时间的关系

从图13可以看出:3种结构在第4 min开始趋于稳定,震荡时间较长,粗糙度对于缩短混合时间影响不大。这说明较低转速时边界层对于流动的影响较为明显,转速较高时边界层对于流动及混合的影响较小;

电势差代表着浓度差,电势差峰值的大小则代表着各工况下两测量点间浓度差峰值的大小,电势差峰值越大,则浓度差峰值越大,搅拌槽内越不均匀,反之则越均匀,搅拌器对NaCl的对流扩散作用也越明显。

比较图12和图13还可发现:在电势差越过峰值并处于逐渐减小的过程中时,在同一时刻所选取的叶片表面位置处设置粗糙度的电势差大都低于光滑叶片的电势差。这说明,叶片表面粗糙度能够使测量点之间的浓度差快速降低。

由此可得出结论:实验中所选取的叶片表面位置处的粗糙度能够加快搅拌器的分散作用,从而促进混合。

4 结束语

笔者对轴流式搅拌器桨叶表面粗糙度进行了实验研究,考察了3种微观粗糙元和两种宏观粗糙元分布在桨叶整面(3种)及局部位置(5种)对混合时间及搅拌功率的影响,得到以下结论:

(1)叶片的3种整面位置表面的粗糙度能使搅拌功率增大约5%以上,吸力面叶根和吸力面导边处的粗糙度0.35 mm能使功率增加约5%-15%;压力面叶根与叶尖位置处的粗糙度能够使搅拌功率略有降低。对于大小不同的粗糙度,实验研究发现,粗糙度越大,其对功率的影响越大,尤其是在360 r/min-600 r/min转速范围内;

(2)在吸力面、压力面叶根区域设置粗糙度高度为0.35 mm的粗糙度能显著促进搅拌槽中NaCl的溶解与扩散速率。实验研究发现在搅拌转速较低180 r/min的情况下,能使混合时间缩短14%左右,当转速增大到360 r/min时,粗糙度对混合时间影响不大。

在后续的研究中,笔者将通过改变流体黏度来研究搅拌器表面粗糙度对搅拌性能的影响。