SMV静态混合器内气液两相流压降的研究.pdf

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第40卷第5期当代化工Vo]．40．N0．52011年5月ContemporaryChemicalIndustryMay．2011SMV静态混合器内气液两相流压降的研究张春梅，孔祥玲，王宗勇，吴剑华(沈阳化工大学，辽宁沈阳110142)摘要：以气一液两相流动的均相流模型为前提，运用流体力学计算软件对SMV静态混合器中的气液两相流的压力场进行模拟计算，分析其压降的规律，并与水平直圆管内压降和混合器内单液相流压降做了对比分析。结果表明：气液两相流流经SMV混合器的沿程压降及局部压降均随着雷诺数的增大呈现明显增大趋势，且管路总压降与元件数成正比；静态混合器两相流压降远远大于水平直圆管压降，当雷诺数在800～40000问变化时，前者是后者的5到80倍；气含率低于5％时两相流摩擦压降倍率随着雷诺数的增大呈现微弱的增大趋势。关键词：SMV静态混合器；数值模拟；压降；气液两相流中图分类号：TQ021．1文献标识码：A文章编号：1671—0460(2011)05—0490—05ResearchonPressureDropofTwo—phaseFlowsinSMVStaticMixerZHANGChun—mei，KONGXiang-ling，WANGZong-yong，WUJian—hua(ShenyangUniversityofChemicalTechnology,LiaoningShenyang110142，China)Abstract：Basedontheuniformmodeloftwo—phaseflow,thepressurefieldofgas—liquidflowinSMVmixerwassimulatedbyprofessionalCFDsoftwareandwascomparedwiththatofsinglephaseinSMVandthatintube．Theresultsshowthatthepressuredropalongthetubeandlocalpressuredropoftwo—phaseflowsinSMVstaticmixerincreasesignificantlywithincreasingofReynoldsnumber,andthetotalpressuredropisproportionaltothenumberofmix—components；two-phasepressuredropinstaticmixerislargerthanthatinthehorizontalcircularstraighttube，whenReynoldsnumberchangesintherangeof800to40000，theformeris5-80timesasbigasthelatter．Andthepressuredropratiooftwo—phaseflowincreasesslightlyasReynoldsnumberincreaseswhenthegasholdupisbelow5％．Keywords：SMVmixer；Numericalsimulation；Pressuredrop；Gas—liquidtwophaseflows静态混合器(StaticMixer)是一种新型高效的混完整的研究，在多相流的压降计算方面多采用以试合设备，被广泛地用于液一液，液一气，液一固，验为基础的经验式或半经验式p。对于常见管路，气一气间的混合、反应、分散、传质和传热。因此，静态混合器的研究引起了化工、石油、医药、食品、合成纤维等工业界的广泛关注。SMV型静态混合器是具有代表性的一种静态混合器”。其混合元件结构见图1。单个混合元由数图1混合元件结构图层宽度不同的波纹板叠加成圆柱状，每层按流道流Fig．1Structureofmixingelement向与相邻层流道流向垂直，与轴向成45。的形式平压力降有两种表示方法，一种表示为，行布置而成，多级串联使用时，相邻混合单元交错I⋯2△JD5=1成90。。，AP为混合管的压降，为摩目前常用于综合评价静态混合器传热传质效果擦因子；另一种表示为因子，Z=APsm／APo，它的主要性能参数有：不均匀度、压降、努塞尔关表示流体经过}昆合元件所产生的压降与水平圆直管联式、停留时间分布等。压降是静态混合器的重要压降的相对大小，其中，△是水平圆直管压降，通参数之一，压降决定了能耗。目前对于静态混合器常是雷诺数Re的函数。这些大多为经验I!生结论中气液两相流的压降变化规律尚未形成比较系统、或实验结论，尚无理论依据。赵建华等曾经对基金项目：辽宁省教育厅重点实验室项目，项目号：2008si17。收稿日期：2011—02—25作者简介：张春梅(1975一)，女，辽宁台安人，博士学位，副教授，化工过程机械专业。E-mail：zhangcm2004@126．com，电话：024—89381016 第40卷第5期张春梅，等：SNV静态混合器内气液两相流压降的研究491SMV静态混合器内湍流气泡流的压降进行了模拟，(2)动量方程并与空气一水系统的压力降实验结果相比，得出数值导)+v(pmUmUm)：一Vp+vI+“+VUmTI+g+，(2)方法用于该混合器内稀疏气泡流的研究是可行的这(3)第二相体积分数方程一结论。LANGI印等利用数值模拟的方案分别研究了水。P。)+V-(aGP。)=0(3)平直管和静态混合器内部流体流动及混合过程，观测(4)k方程到静态混合器中流动的流体产生了与混合元件几何㈤+vm)=++Gk+Gk-(4)结构一致的漩涡，并认为这些漩涡是促进流体混合的主要因素，并且在理论基础上得出了与实验数据相吻(5)方程合的分离强度、速度分布以及温度分布。()+V．()=V．1[+]l+clkGk-C2pE2(5)本文运用流体力学计算软件FLUENT对SMV}2静态混合器内空气一水两相流动的压力场进行数值其中：一湍流粘度系数，由式kt，=pC给出，模拟计算，分析了不同雷诺数对SMV静态混合器压“⋯P，一人Vi处两相流体的混合流速、混合密度和混合粘度，按下式计算：降的影响，旨在为工程应用中SMV静态混合器的选“=blG．0~+“L．(1一)(6)用提供参考。P=PG．+PL．(1一)(7)1模型的选择与验证=／2G．a+／2．(1一)(8)其中：一人口含气率，以入口处气相体积百分数计。1．1多相流模型选择P0、PL一气相和液相的密度，目前的数值模拟对两相流中的各相通常有两G、L一气相、液相的粘度。种处理方法：一是为欧拉方法；二是拉格朗日方方程组中的常数引用软件中推荐值：=1．44，法。本文所选用的计算流体力学软件FLUENT中，=1．92，=O．09，ork=1．0，or1．3共有三种欧拉多相流模型。考虑到本文主要研究第流动控制方程组采用有限差分求解，离散格式为一阶迎风差分格式，用SIMPLE算法耦和压力和二相体积分率小于10％的气液混合，气相变成细微速度场。小气泡分散在连续的液相中，而混合器的任意空问本文对气液两相流雷诺数Re做如下定义：内都充满其中一相或两相混合物，由于含气率较低，Re：—dblm所以可以忽略两相之间的速度差和温度差以及气体—pm(9)的可压缩性对混合流体总体积的影响，即气液两相式中：d一混合器内径。在流动空间内具有连续的动量分布，故选用流体体1．3几何模型积(VOF)模型。参照SMV静态混合器实际结构，建立物理模型1．2控制方程选择如下：混合器内径为80mm，管总长1000mm，内本文考察在Re=800～40000(Re计算方法后装有6个混合元件，第一个混合元件距混合器人口文给出)范围内SMV静态混合器内气液两相流的压100mm，进气管与进液管呈同心圆布置，进气管长降的变化情况，借鉴了赵建华等。的方法对选定的20mm，内径为8mm，见图2；混合元件由6片波工况采用湍流模型下的标准方程进行计算。并纹板交错构成，元件长100mm，长径比为1．25，波作如下假设：液相不可压缩，气相为理想气体，且纹板的波纹高，波纹夹角=60。，波纹板材料厚度均为牛顿流体。在一个混合单元内，可认为气、液不计。用UG绘图软件对SMV混合元件及静态混合相是恒温的，即混合物的物理l生质仅与其组成有关；器建立与物理模型参数一致的几何模型。将几何模假定气相与液相之间无滑移，那么颗粒相动量方程型导人Gambit中，采用四面体非结构化网格对不存在，而且流体相时均质量守恒方程中的密度脉SMV静态混合器进行网格划分。动项，颗粒质量损失脉动项以及动量守恒方程中密，度脉动项，阻力脉动项，变质量脉动项都可以忽略。采用标准的湍流模型，静态混合器内两相湍流流动的基本守恒方程如下：(1)连续性方程图2SMV模型示意图Fig．2SketchofSMV晏()+V．(／3mUm)：o(1)模拟过程中采用常温空气一水物系，气液两相 492当代化工2011年5月水平并流，设定的边界条件为：第一相水采用速度为方便表述，本文压力、压降定义如下：人口，速度为0．Ol～1m／s；第二相空气采用速度人=∑(11)，=1口，入口速度为0．022m／s；出口采用自由流出口；△=一(12)一f流动过程不考虑热量传递。液体水的粘度=0．001式中：—截面的平均压力；002Pa·S，空气粘度与管路压力关系不大，只和温～截面网格的结点数；度有关，可近似用下式估算：△尸—y截面的压降，Y为截面的轴向位置坐标，，=20mm。：[184+0．43×(T一300)]x10(10)为了验证所选多相流模型的可行性，本文首先假定含气率为0，则该模型将转化为对单相流的模拟，模拟对象为SMV2．3／20混合器，并将模拟结果与以前研究的实验结果进行了对比(图3)。yfm图5不同Ho下SMV内各截面的压降沿轴线变化图Fig．5PressuredistributionalongtheaxisofSMVunderdifferentRe本文把混合器中压力降看成是由流体运动与Re×1O波纹板和管壁摩擦产生的沿程阻力以及在元件交接图3模拟与实验结果比较处流体被迫转向产生的局部阻力的和p。由图4可Fig．3Comparisonofresultbetweensimulationandexperiments以看出压力在逐渐下降的过程中每经过一个混合件的长度就会有阶跃的变化。从图中还看出局部压降压降的模拟值与实验值的变化规律以及趋势基的值要高于沿程压降，分析原因主要在两元件相接本吻合，说明本次模拟所选模型适用于SMV静态混处，流体从一个元件流出进入下一元件的过程中，合器的数值模拟。流体被迫旋转，有些流体可以顺利进入下一流道，2结果与分析还有部分流体回流撞击，造成能量的巨大损失。图4中可见每个混合元件内的沿程压降基本相等，因2．1雷诺数变化对8MV管内压降的影响此总的沿程压降可以认为是单个混合元件内的沿程以图2所示SMV静态混合器为研究对象，保持压降与元件数的乘积。局部压降在第一个元件的入入口含气率不变，改变气、液速率以改变雷诺数，口处略高，其余的两元件间的局部压降基本相等，检测混合器内部各截面以及出口处的的压力。得到混合管轴截面平均压力沿轴线的变化结果见图4；那么，总的局部压降也可以看成是每两个元件问的局部压降与元件数的乘积。因此总的压降与元件数成正比。随着雷诺数的增大，混合器内的总压降大幅度增加。局部压降的增大幅度要高于沿程压降。在本文的雷诺数范围内，局部压降占总压降的百分比由20％上升到40％左右。2．2气液两相流流经SMV与水平圆直管压降对比为了考察加入混合元件对管路压降的影响，计算了不同雷诺数下的因子。图6给出了在气相体积图4SMV内截面平均压力沿轴线变化图分率约3．9％时，不同月e数下因子计算结果。通Fig．4AveragepressurealongtheaxisofSMV过数据对比可以看出，气液两相流流经混合器压降不同雷诺数下混合器内各截面压降沿轴线方向远远大于水平圆直管压降。因子随着雷诺数的增的变化见图5。加非线性增长，在本文含气率范围内，当Re=800～ 第40卷第5期张春梅，等：SMV静态混合器内气液两相流压降的研究4934000时，因子增长幅度较低，在5以内；当Re=(<5％)不同含气率下气液两相流流经混合器的压4000～20000时，增长迅速达到50；当Re=20降，并由(13)得出‘。000～40000时，因子增长幅度趋缓，此时混合器计算结果表明，雷诺数为1600时，与单相流内压降是水平圆直管的7O～8O倍。相比，两相流流经相同位置的压降偏小，出现此现象的原因可能流体在低雷诺数区流动时，气含率的增加导致了气相的扰动增强，严重影响了涡街的形成和脱离，涡街作用引起的压差阻力降低，使得总管压降小于单相流压降；随着雷诺数增大，呈现出明显的增大趋势，即随着雷诺数增大，两相流较单相流流经相同位置压降变化更快，这可能是因为随着雷诺数的增大，涡街作用的影响逐渐减小，而密度不均导致的扰动加强导致的；雷诺数继续增010203040大，逐渐大于l，此时两相流流经相同位置的压Re×10图6Z因子随雷诺数的变化降较单相流偏大。但是相同雷诺数下气含率在低于Fig．6Zfactor-Recurves5％范围内变化时，两相流摩擦压降倍率变化不大。根据计算结果，建议低雷诺数(8000)、高雷参照徐立伟等叫对水平圆直管中气液两相流压诺数(8000<20000)工况进行工程核算时取值降的研究，可以将SMV静态混合器内低含气率下气分别为1、1．1，SMV静态混合器内单相流的压降计液两相流的摩擦阻力系数简化表达为：算由文献『91给出。=(13)4结论式中：~z-SMV静态混合器的摩擦阻力系数，l厂一水平圆管的阻力系数，由勃拉修斯公式计算综合以上分析，可得出如下结论：，0．0790．079(14)(1)静态混合器内气液两相流的局部压降以及Re[GD／(A,ttm)]。沿程压降均随着雷诺数的增大呈现明显增大趋势，其中：G一混合流体的质量流量，一管径，且雷诺数变化对局部压降的影响更为显著，总压降一混合粘度。大小与元件数成正比，即：△Psoc；2．3单相流压降与气液两相流压降比较(2)静态混合器两相流压降远远大于水平圆直在衡量两相流压降方面，有较多学者n在单管压降，当Re在800～40000间变化时，对应的相摩擦压降的基础上采用了Martinelli参数以及摩值从5增大到80；擦压降倍率，采用两相流摩擦压降倍率修正的(3)气含率低于5％时，两相流摩擦压降倍率方法得到气液两相流体的摩擦压降，并且通过实验呈现微弱的增大趋势，在常用低雷诺数与高雷研究了压力、质量流量以及气含率等操作参数对两诺数范围内分别可取1、1．1进行工程核算。相流压降的影响。具体计算公式如下：参考文献：=(15)⋯1张春梅．sK型静态混合器流动特性的实验研究及数值模拟[D】．天津：ldz』／任ldz)JG天津大学，2009．=f／(16)[2]刘辉．新型静态混合器传热及混合性能的研究[D1．天津：天津大)／kdz)学，2007．[3]居迎军，刘晓光，高永亮，等．多相管流摩阻计算方法综述[J]．中国石油和式中：旦上一两相流摩擦压降；dz化工，2008(10)：55—58．。一两相流摩擦压降倍率；f4]赵建华，贺国．静态混合器内气泡直径研究fJ]．石油化工设备，2004，33f生_上]—假定流体全部为液相时的摩擦压降，Ldz(1)：18—21．一f生1[5]赵建华，黄次浩，郑学岭．静态混合器气液两相流压降的数值模拟及实Ldzo—假定流体全部为气相时的摩擦压降。验研究【Jj．精细化工，2003，20(5)：317—320．本文低雷诺数区选取=1600，在高雷诺数(下转第516页)区选取=8000、20000，计算了低含气率范围内 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