浆泵剪切混合数值模拟
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本文作者：叶晓琰 田莹莹 丁亚娜 沈良滨 朱利凯 单位：江苏大学流体机械工程技术研究中心
剪切泵是高效、快速、均匀地将一个或多个相(液体、固体、气体)混合到另一互不相溶的连续相(通常液体)过程的设备．其基本工作原理为在电动机高速运转的带动下，进入剪切泵的物料在转子与定子的狭窄间隙间高速运动，在机械运动和离心力的作用下，进行剧烈的剪切、分散混合，承受高速剪切均匀混合、研磨破碎、搅拌乳化等．在线式高剪切匀浆泵是连续或循环处理精细物料的高性能设备，与普通混合设备不同，它可针对特定的生产工艺，在同一设备内完成多项生产过程，实现多功能一体化．剪切泵具有输送能力强、能耗低、污染小、混合乳化效果好等优点，是目前混合输送工艺中不可缺少的设备之一，近年来已广泛应用到石化、食品、造纸、油、脂加工工艺过程等多个行业．国内外一些学者对高剪切均质设备进行了研究，如Chitu等［1］介绍了实验室高剪切混合设备的湿法制粒，并研究了切碎机设计与叶轮转速对颗粒平均大小的影响．Bukovec等［2］介绍了熔融造粒高剪切混合设备的优化．王春林等［3］研究了不同安装位置对高剪切混合器的流场、功耗的影响，并重点研究了射流混合对整个流场的影响．浦广益等［4］运用Ansys软件对高剪切均质机腔体内三维流场进行了研究．周富强等［5］运用流体力学数理理论分析了连续式高剪切均质机空腔内流体的流动．然而，截至目前，高剪切匀浆泵尚无完整的设计理论，对于设备所能达到的剪切混合效果，很难用量化的指标衡量．因此文中采用计算流体动力学的方法研究高剪切匀浆泵内的两相流动情况，预测泵的混合效果，为新型超高速剪切式均质设备的改进、研发设计提供参考依据．
1JQB系列高剪切匀浆泵
JQB系列高剪切匀浆泵主要由剪切腔体、带刃口的剪切轮、螺旋输送轮(或破碎轮)、剪切腔体外套、外壳体、密封腔体、机械密封、轴承座、轴承、轴、轴套等零部件组成．该泵采用多级叶轮及在线式设计，设备进出口(或辅助进料口)法兰与生产工艺管线直接连接，与传统混合设备相比，不需要庞大的反应釜，滞釜反应时间短，从而节约了成本，提高了生产效率，JQB系列高剪切匀浆泵为顶进顶出式结构，进出口方向与轴线垂直，转向从驱动端方向看为顺时针方向旋转，采用卧式、首级破碎轮和四级剪切轮模型结构，其总体结构如图1所示．
2高剪切匀浆泵的两相流模拟
所研究的高剪切匀浆泵主要技术参数分别为温度t=100℃，功率P=7.5kW，转速n=1450r/min，扬程H=8～10m，流量Q=9.5～15.0m3/h．液相设为第一相，体积分数为96%;固相设为第二相，体积分数为4%．假设两相均为不可压缩连续流体，每相的物理特性均为常数，第二相颗粒为近似球形，尺寸均匀，且不考虑相变．
2.1模型三维结构与网格拓扑采用Pro/E进行三维造型，在Fluent的前处理软件Gambit中对模型进行网格划分．采用分块划分网格的方法，在进出口、隔板形状规则的圆柱体部分采用六面体、楔形网格，其余不规则体采用四面体网格，逐个进行划分，并对破碎轮及剪切轮等关键部件进行局部加密．为了减小网格数量对计算结果的影响，在对剪切泵进行两相流数值模拟前先进行网格的无关性检验．经验证，当网格数量达到720000时，网格数量对计算结果的影响可以忽略．2.2数值方法目前多相流动的数值计算方法主要有欧拉法和拉格朗日法．欧拉法把固体颗粒当作拟流体，并认为它们与液体是共同存在且相互渗透的连续介质，对两相分别使用N－S方程进行计算，颗粒与流体之间的耦合通过两个守恒方程里的相间转移项得到;拉格朗日方法把液体看作连续介质，而将固体颗粒看作离散体系，通过在欧拉坐标系下求解流体相的雷诺时均方程组来模拟流动场．文中模拟采用欧拉法．2.3控制方程式中:F为体积力;μm为混合黏性系数;f为质量力;r为矢径;－2ε×um为哥式惯性力;ω2r为离心惯性力;udr，l，udr，s分别为液相和固相的漂移速度．漂移速度指的是第二相(固相)相对于混合相的速度，定义为udr，k=uk－um，而滑流速度是指第二相(固相)相对于主相(液相)的速度，定义为uls=us－ul，两者存在以下关系:2.4边界条件1)进口边界条件:采用速度进口边界条件，但Fluent默认速度进口是均匀来流，而实际上剪切泵进口区域固液两相不是均匀分布的，因此把进口根据两相流量的比例划分为两个进口区域inlet1(4%)和in-let2(96%)并分别进行设置．inlet1第一相体积分数为0，第二相体积分数为1;inlet2第一相体积分数为1，第二相为0，两相的进口速度相同．在假定流体为不可压缩流体的条件下，进口速度计算公式为v=Q/A，(6)式中:Q为流量;A为进口面积．2)出口边界条件:采用自由出流，该边界条件适用于出口流动完全发展的情况．3)壁面条件:壁面采用无滑移边界条件，在近壁区采用标准壁面函数法［8］．4)流体区域:模型中所有的体均设为流体区域．破碎轮和两级剪切轮设为旋转体，其余体均设为静止的．动静耦合采用多参考坐标系模型．
3数值模拟结果与分析
采用Mixture混合模型及扩展的标准k－ε湍流方程计算设计工况时剪切泵内部的两相流动情况．压力和速度耦合采用SIMPLEC算法．在迭代计算时，采用默认的亚松弛系数．计算过程中通过监控控制方程的残差和出口的平均压力来判断计算是否收敛．为考察物料在剪切泵内部的均匀化程度，截取z=0的截面，得到从进口到出口的第二相体积分布，如图2所示．可以看出:在靠近进口部分第二相体积分数很大，这是由于进口部分第二相还没有来得及分散;由于选用CliptoRange，并将其限定在0～0.05，所以进口区域第二相体积分布超过5%的部分就显示不出，图中表现为左侧有不规则的缺角;从进口到出口第二相体积分布逐渐趋于均匀，而且变化比较明显，说明该剪切泵设计合理，对物料的混合均匀效果也比较理想．为观察两相从进口到出口逐渐混合均匀的过程，截取破碎轮进口前(截面1)、第一级剪切轮进口处(截面2)、第一级剪切轮出口处(截面3)和第二级剪切轮出口处(截面4)的4个截面．分别取它们的第二相体积分布，得到结果对比如图3所示．由图3可以看出:混合物料从进口到出口体积分布逐渐趋于均匀，对比截面1与截面2发现第二相体积分数变化不是太大，这是因为首级爪形破碎轮只对物料进行输送或预分散作用，而混合作用不大;从截面2到截面3经过一级剪切轮的剪切混合作用，第二相的均匀化程度明显改变;再到截面4又经过了第二级剪切轮的剪切混合作用，物料已经基本混合均匀．由于剪切外腔不同于一般离心泵的蜗壳起回收能量的作用，主要起定子的作用，与转子剪切轮组成非常小的间隙，在转轮的高速旋转下起到对物料的剪切混合均匀的作用，所以经过剪切外腔后固体颗粒速度会有所降低．
4流量的影响
剪切泵的流量为9.5～15.0m3/h，为考察流量对两相混合流场的影响，在保持转速n=1450r/min不变的情况下，改变流量，分别对Q=9.5，12．0和15.0m3/h工况下的剪切泵进行数值模拟．根据数值模拟的结果截取z=0截面第二相的体积分布，如图4所示．由图4可以看出:从进口到出口第二相体积变化逐渐趋于均匀，而且变化都比较明显，这说明该剪切泵在全流量范围内对物料的混合均匀效果都比较理想;流量在从小到大3种工况下，进口的缺角区域面积依次增大，说明第二相体积分数超过5%的区域面积依次增大，并且随着流量的增大混合均匀的力度减慢．取3个流量下截面2和截面3的体积分布如图5所示，可以看出:相同位置处小流量点的第二相体积分布范围最窄，即混合均匀程度最高;原工况下次之;大流量下第二相体积分布范围最宽说明混合均匀程度最低．这说明小流量比大流量时流道内流动更畅通，混合均匀化速率更快，这与实际情况相符．
5转速的影响
为了考察转速对剪切泵两相流动情况的影响，在保持流量Q=12.0m3/h不变的情况下，改变转速，分别对n=1150，1450，1750r/min工况下的剪切泵进行数值模拟．将模拟结果进行对比，图6为z=0截面第二相的体积分布图。由图6可以看出:随着转速的增大，从进口到出口第二相的均匀化速率明显变快;改变转速时进口缺角区域面积大小的改变没有明显规律，即第二相体积分数超过5%的区域面积没有明显规律，这是因为改变转速只是对转轮区域产生影响，进口位置则几乎不受影响．对比3个图形中模型的同一位置，发现转速越大第二相的均匀化程度也越高．这说明随着转速的增大，混合均匀程度及速率变快，与实际情况相符．
6性能预测
为了保证高剪切匀浆泵的扬程满足标准JB/T11007—2010《高剪切匀浆泵、乳化泵》规定的最低性能要求，对整机模型进行单相流场的数值模拟，并进行性能预测．同时建立高剪切匀泵的闭式试验台，对剪切泵的水力模型试验泵进行试验．将试验数据和模拟数据进行对比，如图7所示．计工况下，流场中的非稳定成分小，这种近似趋于合理，所以在设计工况下计算值和试验值吻合较好;而在非额定工况下，流场中的非稳定成分较强，液面边界层会发生分离，如果仍然采用这种假定处理非稳态成分较大的流动，模型上不太合理，会带来误差;在不同流量工况下，实测轴功率普遍都要比模拟轴功率稍大，这是因为计算轴功率中没有计入容积损失和机械损失;试验所得出的效率小于模拟所得到的效率，这应该是由于物理模型的简化，在数值计算时没有考虑容积损失、一部分机械损失等造成的．
7结论
1)所研究剪切泵内流道通畅，流体从进口到出口的流动过程中，固相体积逐渐趋于均匀，对物料混合均匀效果较好．首级破碎轮主要对物料进行输送或起预分散作用，所以物料经过时固相体积变化不大．物料经过剪切轮后，固相速度会降低，混合均匀程度提高．2)随着流量的增大，剪切泵的混合均匀化速率变小;随着转速的增大，剪切泵的混合均匀程度及速率变大，但由于转速只影响转轮部分，因此对进口区域固相体积分数影响不大．3)外特性模拟与试验结果表明，模拟性能在趋势上与试验数据相同，相对误差较小，符合工程要求．研究结果可为新型超高速剪切式均质设备的改进、研发设计提供参考依据．