高效多孔撞擊式噴射混合器縮頸結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

劉太龍 董紀(jì)民 彭凌風(fēng) 邱明濤 段振亞 任 俠

（1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.齊魯安替制藥有限公司；3.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司）

在制藥與精細(xì)化工領(lǐng)域，連續(xù)化生產(chǎn)作為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，相比于傳統(tǒng)的間歇生產(chǎn)，具有穩(wěn)定性高、節(jié)省能源及傳質(zhì)傳熱能力強(qiáng)等特點(diǎn)［1，2］。在連續(xù)化反應(yīng)工藝的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，高效的氣-液、液-液混合設(shè)備對(duì)反應(yīng)時(shí)間、傳質(zhì)與傳熱效果都有非常重要的影響，因此成為了研究者們的關(guān)注重點(diǎn)［3］。

連續(xù)化反應(yīng)過(guò)程中常見的難點(diǎn)是流量相對(duì)較大的液體與流量很小的液體如何高效混合。針對(duì)該問(wèn)題，大多利用噴射混合器來(lái)解決。噴射混合器是一種將兩種或兩種以上的氣體或者液體進(jìn)行混合的設(shè)備，主要分為兩類［4］：一類是用泵將一種液體通過(guò)小孔或者噴嘴射入另一種液體中，進(jìn)而產(chǎn)生混合液的設(shè)備，但由于是小流量液體在壓力的作用下噴射進(jìn)入大流量液體，故存在混合效果差的問(wèn)題；另一類是大流量流體通過(guò)流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生的局部負(fù)壓，卷吸小流量流體的混合設(shè)備，這類設(shè)備常用于液體卷吸氣體，但對(duì)于液體帶動(dòng)液體的工況目前研究并不多［5～8］。

結(jié)合本課題組多年從事制藥與精細(xì)化工領(lǐng)域的連續(xù)化生產(chǎn)工藝研發(fā)基礎(chǔ)，根據(jù)文獻(xiàn)［9］提出了一種高效多孔撞擊式噴射混合器，專門用于反應(yīng)前兩種流量差別過(guò)大液體原料的高效混合，同時(shí)利用數(shù)值模擬和高速攝像機(jī)實(shí)驗(yàn)開展了對(duì)該混合器孔數(shù)、孔徑及其操作參數(shù)的優(yōu)化研究［10］。筆者主要考察縮頸結(jié)構(gòu)對(duì)高效多孔撞擊式噴射混合器混合效果的影響，從而為該混合器的工業(yè)化應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 CFD模型和驗(yàn)證

1.1 多相流模型

Mixture模型是一種簡(jiǎn)化的兩相流模型，用于模擬各相速度不同、相間耦合性強(qiáng)的兩相流。

Mixture模型的連續(xù)性方程為：

v→m——質(zhì)量平均速度，m/s；

ρm——流體密度，kg/m3。

Mixture模型的動(dòng)量方程為：

μm——混合物的粘度，Pa·s。

1.2 湍流模型

湍流模型是基于湍動(dòng)能k和耗散率ε的傳輸方程模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可以合理、經(jīng)濟(jì)地模擬噴射混合器中的湍流特性，所以筆者選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能方程為：

式中 Gb——湍動(dòng)能產(chǎn)生的浮力；

Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；

Sk——用戶自定義源項(xiàng)；

vi——i方向的速度，m/s；

YM——脈動(dòng)膨脹對(duì)可壓縮湍流耗散率的貢獻(xiàn)；

μ——湍流粘度，Pa·s；

σk——湍動(dòng)能的湍流普朗特?cái)?shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的能量耗散率方程為：

其中，ui為i方向的速度；μt為湍流粘度系數(shù)；Sε為用戶定義的源項(xiàng)；系數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σε為耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)。

1.3 幾何模型和網(wǎng)格劃分

高效多孔撞擊式噴射混合器的幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖1所示。該模型由SolidWorks創(chuàng)建而成，主流體入口段長(zhǎng)L1=60 mm，直徑D1=40 mm；次流體入口段長(zhǎng)L2=60 mm，直徑D2=20 mm；橫孔共4個(gè)，每個(gè)橫孔的直徑D4均為1 mm；擴(kuò)散段角度θ=12°。使用Fluent meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格均為Poly網(wǎng)格，最大扭曲率小于0.4，相鄰網(wǎng)格的最大增長(zhǎng)率為1.2。

圖1 高效多孔撞擊式噴射混合器的幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

選擇不同主流體入口距離（軸向距離分別為30、60、90、120、150 mm）下的流速作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)高效多孔撞擊式噴射混合器的網(wǎng)格數(shù)由1 085 792增加到1 328 526時(shí)，流速的最大變化僅為5.3%。因此，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為1 085 792時(shí)即可保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.5 計(jì)算方法和邊界條件

在Ansys Fluent 19.2軟件中，采用SIMPLE算法來(lái)耦合壓力和速度，利用壓力修正速度的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量守恒。入口邊界條件設(shè)置為velocity inlet，出口邊界條件設(shè)置為outflow，殘差設(shè)置為10-5，壁面條件設(shè)置為光滑無(wú)滑移。模擬時(shí)主流體物料選用水，次流體物料選用正己烷。

1.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)［10］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置（圖3）由立式離心泵（IRG65-160-4KW和IRG50-160-2.2KW）、流量計(jì)、高效多孔撞擊式噴射混合器、高速攝像系統(tǒng)和管道組成。主流體和次流體原料分別選用紅墨水和正己烷，采用CCD攝像機(jī)獲取混合器出口處的流速。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同主流體流量下的出口流速對(duì)比情況如圖4所示。由圖4可知，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，最大誤差為8.42%，證明數(shù)值模型具有可行性。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 不同主流體流量下的出口處流速對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 縮頸直徑對(duì)混合效果的影響

在主流體流量、次流體流量分別為11.40、0.71 m3/h的條件下，以混合均勻度指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，考察縮頸直徑對(duì)混合器混合效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同縮頸直徑下的混合均勻度指數(shù)

由圖5可知，混合均勻度指數(shù)隨縮頸直徑的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即混合效果隨縮頸直徑的增大而變差。從圖6、7可以看出，不同縮頸直徑混合器軸向距離的流速變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且均在縮頸位置出現(xiàn)速度核心區(qū)，但不同的是，在速度核心區(qū)內(nèi)的流速會(huì)隨著縮頸直徑的減小而增大，而流速的增大使得主流體與次流體的速度梯度增大，從而增強(qiáng)了主流體與次流體間湍流質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)作用，提高了混合程度。

圖6 不同縮頸直徑下軸向距離的流速對(duì)比

圖7 不同縮頸直徑下的速度云圖

流體的湍流擴(kuò)散包括時(shí)均運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的移流擴(kuò)散和脈動(dòng)所引起的湍動(dòng)擴(kuò)散，其中湍動(dòng)擴(kuò)散是造成流體間質(zhì)量、動(dòng)量、熱量交換的主要原因［7］，湍流耗散率作為評(píng)價(jià)湍動(dòng)擴(kuò)散強(qiáng)弱的指標(biāo)，可以體現(xiàn)出兩種流體混合程度的強(qiáng)弱。從圖8可以看出，不同縮頸直徑下湍流耗散率的變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且湍流耗散率的峰值均出現(xiàn)在橫孔截面，即主流體和次流體在縮頸內(nèi)最開始接觸的平面。但不同的是，縮頸直徑越小，相同位置的湍流耗散率會(huì)越大，即湍流核心區(qū)的峰值越大，這進(jìn)一步表明縮頸直徑的減小促進(jìn)了主流體與次流體的混合。

圖8 不同縮頸直徑下軸向距離的湍流耗散率

2.2 縮頸長(zhǎng)度對(duì)混合效果的影響

在主流體流量、次流體流量分別為11.40、0.71 m3/h的條件下，縮頸直徑取10 mm，以混合均勻度指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，考察縮頸長(zhǎng)度對(duì)混合器混合效果的影響，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，混合均勻度指數(shù)隨縮頸長(zhǎng)度的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即混合效果隨縮頸長(zhǎng)度的增大而變好。從圖10、11可以看出，縮頸位置的速度核心區(qū)范圍隨著縮頸長(zhǎng)度的增大而增大，而速度核心區(qū)范圍的增大導(dǎo)致了湍流核心區(qū)范圍的增大，從而提高了混合程度。

圖9 不同縮頸長(zhǎng)度下的混合均勻度指數(shù)

圖10 不同縮頸長(zhǎng)度下軸向距離的流速對(duì)比

圖11 不同縮頸長(zhǎng)度下的速度云圖

由圖12可知，不同縮頸長(zhǎng)度下的湍流耗散率峰值基本相等，且均出現(xiàn)在橫孔截面處，不同的是，縮頸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，橫孔截面后相同位置的湍流耗散率越大，湍流核心區(qū)范圍越大，混合效果越好。

圖12 不同縮頸長(zhǎng)度下不同軸向距離的湍流耗散率

3 結(jié)論

3.1 高效多孔撞擊式噴射混合器出口處的混合均勻度指數(shù)隨縮頸直徑的減小而增大，并且縮頸直徑的減小造成了速度核心區(qū)內(nèi)速度的增大以及湍流核心區(qū)內(nèi)湍流耗散率峰值的增大。

3.2 高效多孔撞擊式噴射混合器出口處的混合均勻度指數(shù)隨縮頸長(zhǎng)度的增大而增大，并且縮頸長(zhǎng)度的增大造成了速度核心區(qū)范圍的增大以及湍流核心區(qū)范圍的增大。