《武汉工程大学学报》 2011年05期
78-81,88
出版日期：2011-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
立式撞击流反应器中桨叶优化设计
0引言撞击流作为一种新颖的技术方法［1］,首先由Elperin提出［2］,其基本思想是使两股相向流动的流体产生撞击,从而促进反应和混合的作用.撞击流技术应用广泛,利用该技术可进行脱硫实验,其优点在于：结构简单、操作方便,费用较低［3］,可为沉淀反应制备超细粉体提供适宜环境［4］.立式循环撞击流反应器（Vertical Circulative Impinging Stream Reactor,简称VCISR）［5］结构示意图如图1所示.图1VCISR结构简图
Fig.1Schematic diagram of VCISR
注：1为外壳;2为导流筒;3为桨叶;IZ为撞击区该反应器立式设计,上下分别对称的安装两导流筒,其旋转桨叶置于导流筒内,推动工质沿导流筒相向撞击,在中间径向面上形成高度的湍动撞击区域,即IZ（impingement zone）区域,该区域内的工质混合强烈.其中桨叶是影响IZ区域特征行为的重要因素之一,桨叶倾斜角的不同引起反应器内的混合效果存在差异.本文模拟和研究了四种桨叶的倾斜角下（15°、30°、45°、60°）对反应器内的混合性能和桨叶受力的工况.1计算模型1.1几何条件建模：以反应器模型建立的坐标系如图2所示,反应器底面中心为o点,z轴与导流筒的所在轴线重合,x-y平面为撞击面,x-z和y-z平面为垂直面.为了得到更加准确的模拟结果,对导流筒内在区域的网格进行加密处理. 图2VCISR几何模型
Fig.2Geometric model of the VCISR固定条件：数值模拟的反应器采用三叶斜桨式,三桨叶的优点在于：低能耗和强循环.反应器总高为60 cm,外径为40 cm,导流筒高度为15 cm,上下导流筒和上下桨叶距反应器的顶部、底部分别为10 cm、15 cm,反应器壳体长径比HD=1.5,桨直径与反应器直径比dD=0.35,桨宽与桨直径比bd=0.15.可变条件：上下桨叶的倾斜角θ分别设置为15°、30°、45°、60°,如图3所示.图3不同倾角搅拌桨示意图
Fig.3Schematic diagram of impeller with different blade inclination1.2计算条件采用动参考系模型方法对建立的物模型进行数值模拟计算,将动区域内的工质设定以搅拌桨相同转速进行旋转.容器壁面及导流筒壁面满足固定无滑移壁面边界条件,搅拌桨和转动轴为滑移壁面,容器壁面及导流筒壁面上有Vx=Vy=Vz=0［6］,本文假设流体为连续、不可压缩的液体,均在20 ℃等温条件下进行,工质为蒸馏水.第5期张涛,等：立式撞击流反应器中桨叶优化设计
武汉工程大学学报第33卷
2数值模拟结果2.1撞击特征面上的速度分析在转速900 r/min条件下,数值模拟VCISR轴向和径向流场,得速度云图.图4、图5分别为径向和轴向的速度云图.由图4得到,以导流筒轴线为对称轴,对称轴左右的速度分布基本对称,导流筒限定了循环路径,云图上无流体短路现象,由图5得,沿导流筒正上方向的撞击速度较大,在该垂直方向上形成强烈的撞击区域.撞击面流场速度梯度越大,其强化混合效果越显著,速度梯度是速度大小的离散程度的重要指标,梯度越大则速度值的离散程度越高,因此通过离散程度的重要指标——速度均方根σ来衡量速度梯度,σ越大表明速度值的离散程度越大,速度梯度也越大,混合效果更佳.为了更清晰地分析速度大小,在xoz平面,Z=30面上分别采集x=5、10、14、17、23、26、30、35 ,x=0、y=0线段上的若干个点的速度值,求所取速度的均方根,以表示混合程度.表1为计算所得到的速度均方根值.表1表示在错位角为45°时,速度的均方根最大,表明速度的离散程度越大,说明四种倾角下,在倾角为45°工况下,反应器内的混合性能最优.
图4xoz面上的速度云图
Fig.4The contours of the velocity on the xoz surface under the different inclinations图5不同倾角下z=30 cm面上的速度云图
Fig.5The contours of the velocity on the z=30 cm surface under the different inclinations
表1速度均方根
Table 1The rootmeansquare of the speed
倾斜角θ/(°)均方根σ151.143 4301.434 6451.582 1601.467 12.2循环次数立式循环撞击流反应器的混合特征行为强烈取决于反应器内的接触程度,使工质组分之间有机会相撞击,进行混合或者反应,消除传递界限,提供良好的混合和接触,同时也保持较好的循环特性,可防止过冷点、过热点、死区的形成.桨叶的倾角与循环流量呈非线性关系,当倾角增大,工质的速度增大,但桨叶在xoy平面上的投影面积减小.循环流量与工质沿Z轴方向上的速度 和桨叶面积s之间的关系如公式（1）.由公式（2）［7］计算工质的循环次数.Qc=6vzscos θ（1）n=Qc/V（2）
式（2）中,vz表示桨叶排出工质沿着Z轴方向的平均速度,s表示桨叶的面积,Qc表示循环流量,n为工质在单位时间内的循环次数,V表示反应器的容积.根据公式（1）、（2）计算得到表2.表2不同的倾角下的循环次数
Table 2The cycling times under the different inclinations
倾斜角θ/(°)循环次数150.159300.280450.327600.290由表2得,倾斜角在45°时反应器内的循环次数最大,该结论可为桨叶的设计提供参考依据.3桨叶受力分析在VCISR的构件设计中,理清其受力情况,才能够准确的对其进行设计,保证强度和刚度、稳定性等各方面的要求,才满足结构安全性.上桨叶受力F上,下桨叶受力F下,如图6所示,由于上下桨叶固定在同一根转动轴上,下桨叶受工质的压力比上桨叶所受压力大,得F上>F下,把上桨叶和下桨叶当整体,整体所受力F=F下-F上,合力方向向下.F上、F下、上下桨叶绕Z轴的合力矩M,都可由fluent计算得到,分别如表3和表4所示.图6桨叶受力分析图
Fig.6The diagram of force analysis of the blades表3上下桨叶所受合力
Table 3The resultant force of the fluctuation blades
倾斜角θ/(°)合力F/N150.165300.643450.097600.170表4上下桨叶所受合力矩
Table 4The resultant moment of the fluctuation blades
倾斜角θ/(°)合力矩M/N·m-1150.721300.640450.513600.603虽然上下桨叶所受的合力较小,但容器长期处于工作状态下,会导致联轴器(或电动机）与转动轴之间的紧固连接处磨损,引起紧固受力不均匀,甚至不能有效传递电动机输出的扭矩.根据合力大小,可以选择用户所需要的轴封形式,如V形及矩形密封［8］.表3表明,桨叶的倾斜角在45°时,桨叶受到的合力最小.转动轴应具有足够的扭转强度和弯曲强度,转动轴一般设计成刚性轴,不但具有足够的刚性,还可防止发生共振,为了保证转动轴刚度和强度,尤其是桨叶的根部所受的弯矩最大,根部界面必须具有足够的抗弯截面模量,为了延长反应器的使用寿命,必须控制桨叶绕旋转轴Z轴所受的力矩,表4表明倾斜角在45°时,桨叶绕Z轴旋转所受到的合力矩最小.表3、4表明,倾斜角为45°时,桨叶的受力效果最佳.4结语采用数值方法对立式撞击流循环反应器中的桨叶的倾斜角度问题进行了计算,计算中展开了桨叶的倾斜角θ在15°、30°、45°、60°不同工况对比分析,从中得出如下结论.a. 桨叶的倾斜角为45°工况下,反应器内的流场内速度的均方根最大,表明反应器内工质的混合效果最优.b. 桨叶的倾斜角在45°的工况下,反应器内工质的循环次数最大.c. 在四种倾斜角下,倾斜角为45°时,上下桨叶受到的合力最小,同时绕Z轴的力矩也最小,该结论为立式循环撞击流反应器的桨叶的结构设计提供有效的理论参考.