三角形管壁叶片式静态混合器的结构与流场数值模拟

摘要：为满足造纸生产过程通过静态混合器添加各类化学品的发展要求，同时为解决传统静态混合器的挂浆、破坏某些高分子化学品结构、混合器结构复杂和易堵塞不易清理等问题，研发了三角形管壁叶片式静态混合器，其内部特征结构为3个取自管壁的叶片呈120°均匀分布于管壁内侧；利用FLUENT软件对其工作过程的内部流场进行数值模拟，并建立一套实验装置以对模拟结果进行验证。FLUENT的流场模拟分析结果表明，该静态混合器可使内部流场在压力、速度大小和方向、流体湍流情况发生有效变化，进而使流体物料充分混合；与目前常用的标准型Kenics静态混合器相比，三角形管壁叶片式静态混合器具有简单、高效、节能、不易挂浆和不易剪切破坏高分子类化学品结构的特点，可对流体物料进行分流和混合。

关键词：三角形管壁叶片；静态混合器；结构组成；混合流场特征；FLUENT；数值模拟

中图分类号：TS734+1文献标识码：ADOI：1011981/jissn1000684220180334

随着人们对纸和纸板性能要求的不断提高，不同性能的造纸用化学品被添加到抄纸过程中[14]。静态混合器是指在管内没有运动部件、只有静止元件的高效混合设备[56]。不同于动态混合器，静态混合器是以流体的轴向流动动能为动力、配以管内固定的各种复杂构件的作用，使流体物料在管内流动时多次产生分割分流、导流旋转、阻隔剪切、碰撞冲击、归并合流等流动方式，导致流体层流的运动速度梯度增大或者形成湍流及新的层流，继而使流体物料充分混合[7]。

自20世纪70年代以来，国内外已发明的静态混合器不胜枚举[826]，但目前使用率最高的仍是经典的几个模型，如日本东丽株式会社的hi型混合器、德国巴斯夫公司的巴斯夫型混合器、美国罗斯公司的Rossisg型混合器、瑞士苏尔式公司的Smv型和Smx型混合器[2425]及美国肯尼斯公司的Kenics型混合器[26]。这些经典模型因结构紧凑、能耗低、性能高、操作灵活性大、流程简单和安装检修方便等优点[2122]，仍被广泛应用于化工、造纸、医药、食品、环保、石油和炼油等行业，其工艺过程囊括液液、液气、液固和气气等不同形态物料的混合[3]。

基于计算流体力学（CFD）和计算机技术的发展，通过模拟分析，可更宏观和微观地观察静态混合器的特性及其使用效果，不仅方便了部件的改进，简化了操作流程，而且给出流场的详细信息。现今，模拟分析已成为研究流体模拟方面的主流方式[2736]。

本研究根据抄纸过程中浆料及添加的各种化学品（特别是高分子化学品）的特点，针对目前被广泛使用的各种静态混合器的不足，研发了一种新型静态混合器——三角形管壁叶片式静态混合器；基于CFD，利用FLUENT软件对该混合器工作过程中的内部流场进行数值模拟，并建立一套实验装置以对模拟结果进行验证，为开发新式静态混合器提供了一种新的结构思路及理论支持并给予实验证明。

1三角形管壁叶片式静态混合器

由于不同性能造纸用化学品的添加，迫切需要高效、低能耗、不易挂浆和堵塞、不易在流动过程产生剪切作用而破坏某些大分子化学品的结构、易清洗、易制作加工且价低的浆料纤维与化学品悬浮液混合器[4]。根据国内外静态混合器样式检索查新现状、结合上述需满足的功能特征要求，本课题组研发了一图1三角形管壁叶片式静态混合器单元节结构示意图种三角形管壁叶片式静态混合器，并已获国家发明专利授权（ZL2016101367784）[37]。

11三角形管壁叶片式静态混合器的结构与工作原理

111基本结构

三角形管壁叶片式静态混合器的基本结构如图1所示，其包括单元节筒体和固定安装在筒体内壁的叶片。图1（a）中实线部分为叶片，虚线或点划线部分为圆管；图1（b）为图1（a）的轴测图。叶片是由制作筒体所用的管材直接切割形成的三角形管壁叶片，3片三角形管壁叶片呈120°均匀分布在管内壁上，可将流体物料分隔成相互不完全断流的3个大致区域。

三角形管壁叶片式静态混合器的结构与流场数值模拟第33卷第3期第33卷第3期三角形管壁叶片式静态混合器的结构与流场数值模拟112工作原理

由于叶片的弧形叶面1为偏斜转向安装，流体物料在轴向移动的同时，受到叶片的导流作用，其在每块叶片区域内形成向筒内壁方向的偏旋转向，“轴向移动”與“向筒内壁方向的偏旋转向”的结合使3个区域流体形成小螺旋涡流前行；当流体离开叶片底面3后，各区域流体汇合，在各自原有的惯性流作用下，整体流围绕轴心产生旋转前行流动。如此，流体物料进入下一混合器基本单元节内，继续下一个“逐渐分隔、旋转、汇合”周期[38]。

12三角形管壁叶片的制作

叶片的制作见图2。参照图2（a），取一段圆管（根据叶片设计大小，确定管高度），在管壁上按照虚线切割形成垂直面2；同时在管壁上按照点划线切割形成弧面1（弧面1各处与筒壁面保持垂直），同时与轴垂直形成底面3，底面3的长度取决于设计的叶片角度和大小；垂直面2与底面3呈直角。制成的叶片见图2（b）。在焊接时（见图2（c）），将弧面1与圆管内壁4贴合焊接，叶片的直角部分伸悬在管内；3个叶片呈120°均匀分布在内壁上。混合器使用过程中，流体物料的流向如图2（c）中的F所示。

（1）图2中的垂直面2的长度和弧面1的弧面长度，决定了底面3的长度以及弧面1与垂直面2形成的夹角（称为切割角α）。其中，底面3的较佳弧长为0083～0167倍的混合节圆筒圆周弧长；切割角α在15°～30°之间。

（2）制作叶片时，保持切割面与管壁面间垂直，切割成叶片后保证各面之间形成的棱角平滑；叶片与管壁面焊接后，保持表面平滑。叶片尖端与管壁的“起始焊接接触连接角β”（见图2（c））为0°；叶片尖端与筒内壁接触点为S点，与底面接触点为E点，SE与筒体轴线形成的γ角（见图2）根据情况可变化，但γ≤60°。