帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳釜內(nèi)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

肖志鵬 陶蘭蘭 陳 帥 周勇軍

（1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院國(guó)家化工設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

攪拌設(shè)備在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應(yīng)及制備催化劑等方面，在高分子材料的工業(yè)生產(chǎn)中使用占比85%以上［1～3］。 攪拌流程作為丁苯橡膠生產(chǎn)過程中必不可少的部分， 直接影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)率、質(zhì)量、生產(chǎn)成本和功耗成本，因此研究其特定攪拌器攪拌釜內(nèi)的流場(chǎng)特性對(duì)于丁苯橡膠生產(chǎn)工程實(shí)踐具有重要意義。

攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究常通過粒子圖像測(cè) 速（Particle Image Velocimetry，PIV） 技 術(shù) 進(jìn)行［4～7］。 袁建平等通過PIV技術(shù)對(duì)四斜葉槳在介質(zhì)為非牛頓流體攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)流動(dòng)狀況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明攪拌轉(zhuǎn)速明顯影響槽內(nèi)流場(chǎng)的流速分布、湍動(dòng)能分布和渦量分布的位置和大?。?］。 周勇軍等利用PIV技術(shù)和CFD模擬對(duì)二斜葉框式組合槳攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行研究，探討改進(jìn)型框式組合槳的槳葉間距、離底距離、槳葉安裝角度對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)的影響，得到攪拌效果最佳的使用工況［9］。 宮磊等通過數(shù)值模擬的方式將六斜葉槳和渦輪槳進(jìn)行組合， 研究了4種攪拌組合槳分別對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)和攪拌混合時(shí)間產(chǎn)生的影響，得到了最佳的組合槳葉為六斜葉和渦輪槳的組合槳［10］。 LIU B Q等提出了一種內(nèi)槳由四葉片渦輪槳和Rushton渦輪槳組成的新型同軸組合攪拌槳，研究得到攪拌釜內(nèi)熱量傳遞效率隨著內(nèi)部槳或外部槳速度的增加而逐漸提升［11］。 高勇等通過攪拌實(shí)驗(yàn)的方式， 對(duì)比分析了六直葉圓盤-六葉上斜葉組合槳和拋物線型-六葉上斜葉組合槳， 可知拋物線型-六葉上斜葉組合槳的功耗較小，傳質(zhì)效果更好［12］。 楊娟等用實(shí)驗(yàn)的方法比較了向心槳、Rushton槳、 三斜葉槳分別作為上層槳的組合槳攪拌槽中流體的混合狀態(tài)， 結(jié)果表明Rushton槳-斜葉槳組合槳對(duì)攪拌槽內(nèi)流體的擾動(dòng)作用加強(qiáng)，使得攪拌槽內(nèi)流體的湍流狀態(tài)增強(qiáng)［13］。 GE C Y等通過PIV技術(shù)測(cè)量和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)的研究了改進(jìn)型斜葉片水輪機(jī)（m-PBT）下抽式葉輪的水動(dòng)力特性，結(jié)果表明葉片形狀的一些簡(jiǎn)單變化對(duì)速度分布有影響［14］。DOSTA＇L M等通過實(shí)驗(yàn)研究了六斜葉和可調(diào)節(jié)間隙的多級(jí)攪拌槳在錐形封頭攪拌釜中的傳熱系數(shù)，并用該特征速度分析攪拌釜內(nèi)壁面附近流體的努塞爾數(shù)［15］。 劉建新和徐彥采用階躍激發(fā)響應(yīng)技術(shù)對(duì)裝有斜葉槳和渦輪槳的組合槳的反應(yīng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 得到了當(dāng)槳葉尖速度高于一個(gè)臨界值時(shí)，能夠提高整個(gè)攪拌釜產(chǎn)物的收率［16］。 孫先朋通過PIV技術(shù)對(duì)四斜葉槳攪拌釜內(nèi)介質(zhì)為非牛頓流體的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量， 討論了不同溶液濃度的介質(zhì)和不同轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)的影響［17］。 以上是裝配斜葉槳和斜葉組合槳釜內(nèi)流場(chǎng)的相關(guān)研究文獻(xiàn)。 裝配帶穩(wěn)定翼的攪拌槳的優(yōu)點(diǎn)在相關(guān)文獻(xiàn)中也有報(bào)道。 楊飛燕等在軸流式攪拌槳安裝上穩(wěn)定翼并在穩(wěn)定翼上安裝了副葉，研究發(fā)現(xiàn)，在槳葉上安裝穩(wěn)定翼簡(jiǎn)單方便，有效提高了攪拌槳葉的工作效率［18］。 吳學(xué)安發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)能有效防止槳葉變形、 折斷等問題［19］。 苗維華和文琳研究發(fā)現(xiàn)CBY-D系列的DCS控制帶穩(wěn)定翼和副葉的軸流式攪拌槳，可有效解決高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)攪拌裝置產(chǎn)生振動(dòng)、 形成渦流或氣穴等問題［20］。

目前對(duì)涉及帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)的研究鮮見報(bào)道，筆者通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的丁苯橡膠反應(yīng)釜及其帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳進(jìn)行等比例縮小，得到對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?利用PIV實(shí)驗(yàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)速、槳葉間距和離底距離幾種工況條件下的釜內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，以期為帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳反應(yīng)釜的工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過程中，為避免光的折射現(xiàn)象影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將攪拌釜放入儲(chǔ)水方槽。 儲(chǔ)水方槽由厚度25 mm的透明玻璃制成，其模型如圖1所示。 攪拌釜由透明樹脂玻璃和不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭組成， 攪拌釜壁厚為6 mm，C1為組合槳的離底距離，C2為組合槳的槳葉間距。C1和C2隨不同的工況變化，攪拌釜的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示，儲(chǔ)水方槽和攪拌釜的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)見表1。

圖1 儲(chǔ)方水槽模型

圖2 攪拌釜模型

表1 儲(chǔ)水方槽和攪拌釜的結(jié)構(gòu)尺寸

實(shí)驗(yàn)所用的帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳由實(shí)際工程設(shè)備等比例縮小得到，其上層槳為帶穩(wěn)定翼四斜葉槳，模型尺寸如圖3所示，下層槳為Rushton槳，模型尺寸如圖4所示。帶穩(wěn)定翼四斜葉槳由4個(gè)斜葉葉片、4個(gè)穩(wěn)定翼和輪轂制成， 穩(wěn)定翼通過六角螺母螺栓固定在斜葉片中心部分，輪轂的高h(yuǎn)=40 mm。 輪轂與Rushton槳輪轂相同，斜葉片傾斜角度θ1=45°，平均分布，夾角θ2=90°，四斜葉槳通過帶穩(wěn)定翼四斜葉槳去掉固定于斜葉片上的穩(wěn)定翼葉片獲得，結(jié)構(gòu)尺寸參考帶穩(wěn)定翼四斜葉槳。 Rushton槳由6個(gè)直葉片、1個(gè)圓盤和輪轂制成，圓盤位于直葉片豎直方向中心位置，垂直葉片圍繞圓盤平均分布，夾角θ3=60°，所有槳葉的葉片厚度均為t=2 mm。 其他尺寸見表2。

表2 帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳的尺寸 mm

圖3 帶穩(wěn)定翼四斜葉槳尺寸圖

圖4 Rushton槳尺寸圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用PIV系統(tǒng)對(duì)攪拌釜內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行拍攝，PIV系統(tǒng)連接圖如圖5所示。 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由攪拌控制實(shí)驗(yàn)裝置和粒子成像測(cè)速裝置組成，PIV部分設(shè)備如圖6所示。

圖5 PIV系統(tǒng)連接圖

圖6 PIV部分設(shè)備

在攪拌釜中注入甘油和水溶液，加入示蹤粒子并攪拌均勻。 通過粘度計(jì)測(cè)得甘油-水溶液粘度為29.5 mPa·s，為避免發(fā)生折射現(xiàn)象，需要使方槽的液位與攪拌釜液位保持齊平。 打開雙脈沖激光器發(fā)射出兩條激光，在攪拌釜內(nèi)形成兩塊明亮的示蹤粒子區(qū)域， 相機(jī)連續(xù)拍攝兩幀粒子圖像，從這兩張圖像中可以得到在0.001 s內(nèi)示蹤粒子的位移，從而計(jì)算示蹤粒子的速度，本實(shí)驗(yàn)每一工況下拍攝210組420張照片計(jì)算得到整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)的平均速度分布。 然后通過Tecplot軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)拍攝的結(jié)果進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的速度云圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)的影響

不同轉(zhuǎn)速下的速度云圖如圖7所示， 當(dāng)轉(zhuǎn)速N=70 r/min時(shí)（圖7a），轉(zhuǎn)速較低，釜內(nèi)z/h為0.82～0.92、r/T為0.14～0.20區(qū)域和z/h為0.20～0.24、r/T為0.30～0.36區(qū)域出現(xiàn)深藍(lán)色低速區(qū)域，表明釜內(nèi)流場(chǎng)受槳葉傳遞能量較少， 釜內(nèi)流體速度較低；當(dāng)轉(zhuǎn)速提升至N=90 r/min時(shí) （圖7b）， 在z/h為0.20～0.24、r/T為0.30～0.36區(qū)域的低速區(qū)域消失， 在釜內(nèi)z/h 為0.46～0.54、r/T 為0.49～0.44 和z/h 為0.16～0.22、r/T為0.46～0.50等區(qū)域出現(xiàn)高速區(qū)域， 釜內(nèi)流場(chǎng)速度分布有所改善；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提升至N=110 r/min時(shí)（圖7c），釜內(nèi)高速區(qū)域向釜中心位置移動(dòng)，由于高速區(qū)域位于攪拌釜中心位置，釜內(nèi)速度分布較好，僅在釜內(nèi)上部分區(qū)域出現(xiàn)了小部分的深藍(lán)色低速區(qū)域； 隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升，當(dāng)N=130 r/min時(shí)（圖7d），釜內(nèi)上部深藍(lán)色低速區(qū)域進(jìn)一步縮小但并未消失，釜內(nèi)高速區(qū)域范圍有所增大，但釜內(nèi)流場(chǎng)速度分布改善不大。 綜合以上分析，轉(zhuǎn)速N=110 r/min為最佳轉(zhuǎn)速工況。

圖7 4種不同轉(zhuǎn)速的速度云圖

2.2 槳葉間距對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)的影響

不同槳葉間距下的速度云圖如圖8所示，圖8a為C2=0.20h時(shí)釜內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖， 在z/h為0.62～0.72、r/T為0.36～0.50區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生紅色較高速區(qū)域。而在攪拌釜上層的z/h為0.82～1.00區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)深藍(lán)色低速區(qū)域，低速區(qū)域內(nèi)易形成懸浮物。 同時(shí)上層槳的穩(wěn)定翼與Rushton槳距離較近， 造成了穩(wěn)定翼的切割作用， 阻擋了部分Rushton槳的射流作用， 在z/h為0.16～0.26、r/T為0.30～0.46區(qū)域產(chǎn)生了較低速區(qū)域，不利于攪拌混合。圖8b為C2=0.23h時(shí)釜內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖，此時(shí)在z/h為0.76～1.00區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)淺藍(lán)色較低速區(qū)域，高速區(qū)域向釜內(nèi)移動(dòng)更有利于釜內(nèi)整體的混合和傳質(zhì)。 在z/h為0.20～0.24、r/T為0.24～0.28區(qū)域產(chǎn)生了小部分的較低速區(qū)域， 相對(duì)于C2=0.20h時(shí)此區(qū)域范圍明顯減小，混合和傳質(zhì)效果更佳。 圖8c為C2=0.26h時(shí)釜內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖， 釜內(nèi)上層流場(chǎng)的低速區(qū)域消失，但在z/h為0.16～0.32區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大部分深藍(lán)色低速區(qū)域，這對(duì)攪拌釜內(nèi)的混合和傳質(zhì)效果是不利的。 綜合以上分析，槳葉間距為C2=0.23h時(shí)最佳， 此時(shí)攪拌釜內(nèi)混合和傳質(zhì)的效果最好。

圖8 3種不同槳葉間距下的速度云圖

2.3 離底距離對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)的影響

不同離底距離下的速度云圖如圖9所示，在圖9a中離底距離C1=0.19h，此時(shí)離底距離較小，攪拌釜上部分區(qū)域出現(xiàn)大范圍的淺藍(lán)色較低速區(qū)域， 且在z/h為0.76～0.90區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)較大的深藍(lán)色低速區(qū)域，可見此時(shí)槳葉位置較低，對(duì)攪拌釜上部分區(qū)域影響較小，易形成大范圍的懸浮物。 在圖9b中離底距離C1=0.24h，與C1=0.19h時(shí)相比，攪拌釜上部分區(qū)域淺藍(lán)色較低速區(qū)域和深藍(lán)色低速區(qū)域明顯縮小，釜內(nèi)高速區(qū)域上移至z/h為0.66～0.76、r/T為0.26～0.46區(qū)域， 圖9b底部出現(xiàn)高速區(qū)域，說明C1=0.19h時(shí)高速區(qū)域位于釜底。在圖9c中離底距C1=0.29h， 釜內(nèi)上部分區(qū)域速度明顯提升，但是由于槳葉上升，其對(duì)釜底的影響降低，在z/h為0.10～0.16、r/T為0.30～0.36區(qū)域顯示出低速深藍(lán)色，釜底速度降低，底部流速過低會(huì)導(dǎo)致出料口沉積物料，從而出現(xiàn)堵塞。 綜合以上分析，C1=0.24h時(shí)釜內(nèi)速度分布更合理。

圖9 3種不同離底距離下的速度云圖

3 兩種組合槳實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

3.1 速度云圖

圖10為兩種組合槳在轉(zhuǎn)速N=110 r/min、C1=0.24h、C2=0.23h下的速度云圖，在圖10a中，與四斜葉-Rushton組合槳在釜內(nèi)z/h為0.22～0.32、r/T為0.34～0.44區(qū)域和z/h為0.50～0.64、r/T為0.34～0.50區(qū)域產(chǎn)生紅色高速區(qū)域相比， 帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳的釜內(nèi)流場(chǎng)高速區(qū)域要更靠近釜內(nèi)中心區(qū)域，高速區(qū)域分別位于z/h為0.66～0.76、r/T為0.26～0.46區(qū)域和z/h為0.10～0.20、r/T為0.14～0.24區(qū)域，且釜內(nèi)上部分的低速區(qū)域范圍更小，表明帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳在釜內(nèi)流場(chǎng)的速度分布相對(duì)更好，穩(wěn)定翼的切割推流作用有助于釜內(nèi)流場(chǎng)的速度分布，有助于釜內(nèi)介質(zhì)的混合和傳質(zhì)。 但在釜內(nèi)中心位置穩(wěn)定翼一定程度上阻擋了下層Rushton槳的射流，綜合比較得到穩(wěn)定翼的加入對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)更有益。

圖10 兩種組合槳的速度云圖

3.2 軸向無因次化速度分布

為研究?jī)煞N組合槳分別對(duì)釜內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)的影響，對(duì)釜內(nèi)r/T分別為0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.44、0.48這10條軸向截取速度信息，每條截線等間距獲取45個(gè)點(diǎn)進(jìn)行無因次化速度計(jì)算，提取軸向速度進(jìn)行無因次化計(jì)算處理即軸向無因次化速度為τ/Vtip，其中槳葉的葉端速度Vtip=πDN/60。

圖11所示為兩種組合槳軸向無因次化速度分布圖。圖11a所示帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳軸向速度正峰值出現(xiàn)在z/h=0.58、r/T=0.44位置，負(fù)峰值出現(xiàn)在z/h=0.24、r/T=0.20位置，釜內(nèi)中層的中心區(qū)域軸向無因次化速度較大，形成的高速回流有助于釜內(nèi)流體的混合和傳質(zhì)。 圖11b所示為四斜葉-Rushton組合槳釜內(nèi)軸向無因次化速度分布，圖中r/T為0.12、0.16、0.20這3條截線軸向無因次化速度分布變化趨勢(shì)不明顯，與圖11a相比，在釜內(nèi)槳葉附近出現(xiàn)無因次化速度峰值，其他區(qū)域無因次化速度降低， 而變化趨勢(shì)不變， 在r/T為0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.44、0.48 截 線 附 近 表現(xiàn)出較好的軸向循環(huán)流動(dòng)，釜內(nèi)軸向無因次化速度變化趨勢(shì)更規(guī)律有序。 四斜葉-Rushton組合槳的軸向無因次化速度分布較好。

圖11 軸向無因次化速度分布

3.3 徑向無因次化速度分布

與軸向無因次化速度方法相同， 提取徑向速度進(jìn)行無因次化計(jì)算處理得到徑向無因次化速度為v/Vtip， 徑向無因次化速度分布如圖12所示。

圖12a為帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳釜內(nèi)徑向無因次化速度分布圖，上層z/h在0.9～1.0區(qū)域內(nèi)徑向無因次化速度較高，避免了上層懸浮結(jié)塊的現(xiàn)象。 此區(qū)域向下的流速變化較為平穩(wěn)，徑向無因次化速度正峰值在r/T=0.28、z/h=0.74 和r/T=0.32、z/h=0.66位置產(chǎn)生， 徑向無因次化速度負(fù)峰值在r/T=0.28、z/h=0.42位置產(chǎn)生， 徑向無因次化速度峰值位于釜內(nèi)中心槳葉附近，速度突變較少， 有利于提高釜內(nèi)整體的混合和傳質(zhì)效果。而圖12b中釜內(nèi)流場(chǎng)徑向無因次化速度變化趨勢(shì)不明顯，沒有表現(xiàn)出較好的循環(huán)流動(dòng)，所以帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳的軸向無因次化速度分布更佳。

圖12 徑向無因次化速度分布

4 結(jié)論

4.1 轉(zhuǎn)速N=110 r/min 時(shí)帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳其上層的穩(wěn)定翼切割推流作用表現(xiàn)明顯，釜內(nèi)上部分區(qū)域流速增大，有利于釜內(nèi)介質(zhì)的混合和傳質(zhì)；槳葉間距C2=0.23h時(shí)，兩槳葉配合最佳，其穩(wěn)定翼的切割推流作用使釜內(nèi)形成最佳流場(chǎng)；離底距離C1=0.24h時(shí)，釜內(nèi)上部分低速區(qū)域明顯縮小，釜內(nèi)速度分布合理，C1=0.24h為最佳槳葉間距。

4.2 對(duì)比帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳與四斜葉-Rushton組合槳釜內(nèi)流場(chǎng)， 穩(wěn)定翼在釜內(nèi)流場(chǎng)的積極作用更為明顯，在z/h為0.5～0.6范圍內(nèi)穩(wěn)定翼切割推流與Rushton射流配合更好，釜內(nèi)上部分區(qū)域的流速加強(qiáng)，釜內(nèi)中心區(qū)域介質(zhì)的混合和傳質(zhì)能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

4.3 對(duì)比兩種組合槳釜內(nèi)流場(chǎng)的軸向、徑向無因次化速度， 帶穩(wěn)定翼四斜葉-Rushton組合槳徑向無因次化速度分布更好，其徑向無因次化速度峰值位于釜內(nèi)中心槳葉附近，有利于提高釜內(nèi)整體的混合和傳質(zhì)效果，表明了穩(wěn)定翼對(duì)釜內(nèi)流體徑向流動(dòng)更加有益。