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(1.南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816;2.国家化工设备监督检测中心， 江苏 张家港 215600)

双层改进型INTER-MIG桨偏心搅拌槽内流动特性PIV研究

王光武1，周勇军1，薛亚运1，辛伟2，陶兰兰2

(1.南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816;2.国家化工设备监督检测中心， 江苏 张家港 215600)

在内径T=420 mm的圆柱搅拌槽内，采用粒子图像测速技术对湍流状态下双层改进型INTER-MIG桨偏心搅拌槽内的流场进行研究，考察了相对层间距C2/H和雷诺数Re等参数对流场内流动特性的影响，同时利用扭矩传感器研究了Re对功率特性的影响。实验结果表明，当C2/H=0.148～0.400时，总的轴向速度分布随着C2/H的增大逐渐趋于正态分布；当C2/H=0.300时，两桨间的连接流最明显；当C2/H≥0.400时，槽内产生分区流现象；当Re=(3.75～9)×104时，功率特征数NP随Re增大逐渐降低；当Re≥9×104时，NP趋于稳定。

搅拌槽； 粒子图像测速技术； 双层改进型INTER-MIG桨； 偏心搅拌； 流场

搅拌是一种在工业生产中应用十分普遍的单元操作。近年来国内外的搅拌槽内流场特性研究工作极大地丰富了搅拌理论，目前常用的搅拌方式分为单层搅拌和多层搅拌两种。多层搅拌槽内层间距、离底高度以及不同类型的桨叶组合等对搅拌效果有着很大的影响，越来越多的学者对多层搅拌槽内的流型、速度分布、湍动能及搅拌功率等进行了实验和数值模拟研究。郭欣等采用粒子图像测速技术(PIV)对双层三叶CBY翼型桨搅拌槽内流动特性进行研究发现，搅拌槽内流动以轴向流为主，并且层间距对搅拌槽内流场的流动特性影响比较明显[1]。郑国军等利用PIV实验对雷诺数Re条件下双层CBY桨搅拌槽内流场流动特性进行的研究发现，功率准数随着Re的增大而逐渐降低，而且桨叶C2/H对功率准数的影响较小[2]。Szalai等通过实验和数值模拟的方法对4层INTER-MIG组合桨搅拌槽内的混合特性进行的研究发现，由于各层桨之间物料的动量传递不足，因此导致高黏度物料的混均效果比较差[3]。

随着工业中对搅拌效果的要求越来越高，多层中心搅拌越发难以满足要求，多层偏心搅拌槽内流场特性的研究尤显重要。Alvarez等对层流状态下偏心搅拌进行的研究指出，偏心搅拌能够缩短混合时间[4]。Karcz等研究牛顿流体在湍流状态下偏心搅拌时，量化了偏心率对混合时间、能量消耗的影响[5]。杨敏官等对偏心搅拌槽内高浓度浆液中颗粒的悬浮特性研究发现，在高黏度桨液中偏心搅拌较中心搅拌增强了流场内流体的轴向循环能力及固体颗粒悬浮效果[6]。杨锋苓等对Rushton桨偏心搅拌槽内固-液悬浮特性进行研究，发现偏心率e=0.2时悬浮效果最佳，临界转速较中心搅拌时的小且能耗低[7]。刘悦等开发了LY框式搅拌桨，用于双轴双桨偏心搅拌，提高了混合效果[8]。Cabaret等比较单偏心轴双层Rushton和双偏心轴单层Rushton桨的搅拌效果，发现双轴单桨需要的混合搅拌时间较单轴双桨的短，且桨叶上下部位的混合分离区消除，令功耗降低[9]。车占富等利用PIV和固体激光发生器对偏心搅拌槽内的流动特性进行了实验研究，发现偏心距离越大，槽内流体的轴向流动越显著且形成了较大的轴向循环，但是固体悬浮的临界转速和搅拌功率的消耗也随着增大，并得出最佳偏心率e=0.4[10]。但关于层间距C2及Re对单轴多层偏心搅拌槽内流场特性影响的研究还鲜见报道。

本文采用高分辨率的PIV研究了C2和Re等参数对双层改进型INTER-MIG桨偏心搅拌槽内流场的影响规律，并利用扭矩传感器测量了改进型INTER-MIG桨的功率特性。

1 偏心搅拌槽内流动特性实验

1.1实验装置与材料

本实验采用不锈钢标准椭圆封头和圆柱形透明有机玻璃组成的四挡板均匀分布搅拌槽，搅拌槽内径T=420 mm、高度H=675 mm。在搅拌槽内采用交叉布置方式安装双层改进型INTER-MIG桨，桨叶直径D=210 mm，搅拌轴偏心安装，偏心率e=0.2[11]，下层桨距搅拌槽底的高度C1=225 mm，工作介质为清水，流体中加入和水密度几乎相同的示踪粒子(ρ=1.1 g/cm3)，示踪粒子的直径为8～12 μm。

偏心搅拌槽的结构见图1，改进型INTER-MIG桨的结构见图2。图2中D=210 mm、Dhb=34 mm、l1～l4依次为44、26、20和30 mm。为避免圆柱形有机玻璃槽壁面对激光的折射，故将搅拌槽放置在一个与搅拌槽相同材质的方槽内，并使方槽与搅拌槽之间充满水且使液面高度和搅拌槽内的液位保持一致。此外将桨叶和搅拌轴喷上黑色哑光漆，用于减弱其对激光的反射作用。

图1 搅拌槽结构示图

图2 改进型INTER-MIG桨结构

1.2PIV测试系统

本实验采用美国TSI 公司生产的粒子图像测速系统， 此测量系统主要由待测区域、图像记录系统(CCD相机)、轴编码器、双脉冲激光器、同步控制器、激光器以及PIV相关软件等硬件和软件构成。在图3所示的二维PIV系统工作连接示意图中，双脉冲激光器产生高强度的脉冲激光，通过导光臂引导，经过柱面镜和球面镜产生厚度约1 mm片光源入射到待测区域，通过与片光源相垂直方向的CCD摄像系统拍下间隔时间非常精准的2个瞬间时刻脉冲激光曝光的粒子图像，利用互相关算法运算，得到在间隔时间内流场中大量示踪粒子的位移，进而获得流场中一个平面内多个点的速度。图像处理由TSI公司的Insight 4G系统完成。

图3 二维PIV系统连接示图

1.3实验方法

PIV系统测量时，激光器和照相机保持90°夹角，流场区域由波长532 nm、单脉冲能量380 mJ的激光通过共线通道照亮形成，选用笛卡尔坐标系，坐标轴x、y、z分别代表径向、切向、轴向，原点位于搅拌槽底部中心。在二维PIV系统中待测区域为轴向和径向构成的平面，由脉冲激光经过柱面镜和球面镜产生的厚度约1 mm的片光，与方槽玻璃壁面相垂直方向射入圆柱形有机玻璃槽内形成。将轴编码器和TSI公司的610036同步器连接，以实现拍摄相机、激光器的同步触发，其中拍摄相机为400万像素(对应的图片分辨率为2 048×2 048的CCD相机，同步器的分辨率为1 ns，并由Insight 4G软件控制进行全自动操作和采集图像的后处理。

实验中将轴向的坐标对搅拌槽的高度H做无因次化处理，表示为z/H；径向的坐标对搅拌槽半径R做无因次化处理，表示为r/R。本实验工作分为两部分：①保持搅拌转速n=100 r/min、e=0.2以及C1=225 mm，通过改变C2考察偏心搅拌槽内流场的变化规律,操作条件见表1。②保持e=0.2、C1=225 mm及C2/H=0.300，通过改变n分析湍流状态下偏心搅拌槽内流动特性的变化规律，操作条件见表2。

表1 实验操作条件1

表2 实验操作条件2

1.4测量平面选取

因偏心搅拌时流场具有非对称性，故在拍摄时将激光器发射出的片光偏离搅拌轴的轴心5 mm，以得到整个轴面内的流场。由于挡板附近流体的流动受挡板干扰，在挡板附近得到的流场在全槽内不具有代表意义，因此实验中均选择两挡板中间位置作为测量平面[1]。

2 实验结果讨论与分析

2.1层间距对搅拌槽内流场的影响

2.1.1流型

通过改变层间距C2，得到搅拌槽内4种流型图，见图4。

在C2/H=0.148～0.400内，上下两层桨叶右侧均形成一个漩涡，两层桨叶之间的液体沿着径向方向流向壁面，到达壁面后形成向上和向下两股轴向流动促成搅拌槽内的轴向循环。

C2=0.200H和0.300H两种工况下的整体流型相似，下桨叶处流体沿水平方向排出，碰及槽壁后分作两部分，一部分向槽底运动并在下桨叶右下方形成一个漩涡，另一部分向上运动。上桨叶排出的流体碰及槽壁后亦分作向上和向下流动的两部分，向上流动的部分在上桨叶附近形成了漩涡，向下流动的部分与下桨叶分出的向上流动的部分汇合并在两桨中间高度形成小漩涡，流体的流动表现为连接流，此时混合比较迅速，混合效果较好[12]。

C2=0.148H时，流型与单层桨比较相近，说明层间距较小时，上层桨对槽内整体流动影响甚微，但两层桨叶排出的流体相互干扰增强，造成能量浪费，对混合不利。

图4 不同层间距下搅拌槽内的4种流型

C2=0.400H时，上下两层桨叶各自形成一个循环，流体从下层桨叶排出，沿着与轴线倾斜的方向向上流动，一部分被上层桨叶吸入，另一部分由于重力作用发生转向而向下流动，在下桨叶右下侧形成一个循环，两桨叶之间的相互作用和轴向流动变弱，此时混合较为缓慢，对搅拌槽内混合效果极为不利[13,14]。综合分析图4c和图4d可以看出，C2=0.300H是出现分区的临界值，此时C2的实际尺寸是202.5 mm，略小于桨叶直径D，这与周国忠对双层CBY桨的研究结果一致[12]。

观察图4中上下桨叶处产生的漩涡大小和位置

的变化，发现随着C2的逐渐增大，上桨叶处产生的漩涡位置由叶轮右上侧逐渐偏移到叶轮右下侧，在C2=0.300H时向下偏移到最大值，之后漩涡位置趋于不变。下桨叶处产生的漩涡先向上偏移，在C2=0.300H时，涡心与下桨叶径向中心近乎共线，之后略微向下偏移。且上下两个漩涡涡心之间的距离也随着层间距的增加而变大，这是因为随着层间距的增大，两桨叶产生的漩涡之间的作用力在减弱。

2.1.2流场内轴向速度分布[15]

不同桨叶层间距下流场内轴向速度的统计分布见图5。

图5 不同层间距下轴向速度分布

观察图5中不同层间距下的流场内轴向速度的分布情况可发现，轴向速度大于0的部分占比较高。结合上述流型的分析可以得出，搅拌槽内流动以轴向流占主导。随着层间距逐渐增大，向上和向下的轴向速度均逐渐提高，向上的轴向速度变化较为明显。但总的轴向速度分布逐渐趋于正态分布，说明两层桨叶之间的干扰越来越少，流体逐渐趋于自由流动。此外，对比图5a～图5d发现，虽然随着层间距的增大，流场内向上和向下的轴向速度总体增大，但在C2=0.300H时出现了下降，之后回升并趋于稳定。这与上述层间距对流场内流型影响的分析一致，因此可认为C2=0.300H为临界层间距，是实现搅拌槽内流体整体循环的关键。

2.2Re对搅拌槽内流场的影响

2.2.1搅拌功率

不同Re下双层改进型INTER-MIG桨的功率特性见图6。

由图6可见，相同的C2下，在Re为(3.75～7.5)×104内，随着Re增大，搅拌功率特征数NP逐渐降低，其走势近乎为一条斜率为-1.5×10-4的直线，即

图6 不同雷诺数下双层改进型INTER-MIG桨功率曲线

使在Re为8×104时，NP仍呈略微下降趋势，当Re>9×104时，功率曲线趋于一条水平直线，即NP与Re无关。说明当Re>9×104时，搅拌槽内流体流动进入充分湍流区。

2.2.2轴径合速度

分别取z/H=0.300、α=0°界面处沿径向和轴径的合速度以及r/R=0.45、r/R=0.60位置处沿轴向的轴径合速度进行研究，分析Re(Re由n表达)的改变对搅拌槽内轴径合速度分布的影响，见图7。轴径合速度vaz用叶端线速度vtip做无因次化处理。

图7 不同转速下搅拌槽内轴径合速度分布

观察图7a分布图，可以发现无因次轴径合速度在搅拌轴的左右两侧分别出现了峰值，在搅拌轴左侧r/R=-1.00、-0.75及-0.30处均出现峰值，且r/R=-0.75位置处流体速度较r/R=-0.30处小23%，r/R=-1.00位置处流体速度较r/R=-0.75处小39%。而在搅拌轴右侧仅出现2个峰值，分别在r/R=0.50和0.85处，且峰值也呈下降趋势，r/R=0.85位置处流体速度较r/R=0.50处小38%，这是因为r/R=-0.30和r/R=0.50处为前一叶片排出流体运动180°后的速度，而r/R=-0.75和r/R=0.85位置处为第二个叶片排出流体运动360°后的速度，r/R=-1.00为下一周期前一叶片排出流体运动180°后的速度。

观察图7b和图7c发现，沿轴向无因次轴径合速度的高速区均分布于各桨叶的射流区，而下桨叶射流区的速度较上层桨叶的大很多，这是因为两桨叶交叉布置，且是在相位角α=0°界面处进行拍摄采集分析，此时上桨叶垂直于拍摄面。

观察图7，发现转速在50～120 r/min，即Re为(3.75～9)×104时，沿着径向和轴向方向的无因次化轴径合速度随转速n增加而增大，且在n>120 r/min(即Re>9×104)时，轴径合速度均出现回落。结合上述Re对搅拌功率影响的分析可以得出Re= 9×104是临界值，大于该值时，Re的改变不影响搅拌槽内的无因次化速度分布，搅拌槽内流体进入充分湍流状态。

3 结论

通过PIV对双层改进型INTER-MIG桨偏心搅拌槽内的流场进行了实验研究，考察了层间距和雷诺数等参数对流场分布的影响。分析实验结果得到以下主要结论。

(1)在C2/H为0.200、0.300时，搅拌槽内出现连接流，此时混合迅速。C2/H减小至0.148时，两桨的相互作用强烈，不利于混合。但C2/H增加到0.400时，两桨叶各自形成循环，搅拌槽内流体分区。

(2)在C2/H=0.148～0.400内，搅拌槽内流场中向上的轴向流动占据主导地位,且随着C2/H的增大，轴向速度整体增大且向上的轴向增速较为明显，但总的轴向速度分布逐渐趋于正态分布。

(3)在Re=(3.75～9)×104内，随Re增大，双层改进型INTER-MIG桨的NP逐渐降低，但无因次化的轴径合速度却增大。

(4)Re≥9×104(n≥120 r/min)时，Re的改变不影响搅拌槽内的无因次化速度分布，搅拌槽内流体进入充分湍流状态。

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(柏编)

StudyonFlowCharacteristicsinanEccentricallyAgitatedVesselwithBilayerImprovedINTER-MIGImpellerswithPIV

WANGGuang-wu1,ZHOUYong-jun1,XUEYa-yun1，XINWei2，TAOLan-lan2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2. National Chemical Equipment Supervision and Testing Center， Zhangjiagang 215600, China)

In the cylindrical stirred tank with inner diameterT=420 mm, the turbulent flow field in the eccentric stirring tank of bilayer improved INTER-MIG impellers was studied by using particle image velocimetry. The influence of the parameters such as layer spacingC2/Hand Reynolds numberReon the flow characteristics in the flow field was investigated, at the same time, the effect ofReon the power characteristics was studied by using a torque sensor. The results show that the total axial velocity distribution tends to be normal distribution with the interval ofC2/H=0.148～0.400. WhenC2/H=0.300, the most obvious connection flow is observed; and whenC2/H≥0.400, a regional flow phenomenon generates in the tank; whenRe=(3.75～9)×104, the rate characteristic numberNPdecreases gradually with the increase ofRe, and whenRe≥9×104,NPtends to be stable.

agitated vessel；particle image velocimetry; double-layer improved INTER-MIG paddle; eccentric agitation; flow field

TQ050.7； TB115.1

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.003

1000-7466(2017)05-0012-07

2017-04-10

王光武(1992-)，男，安徽亳州人，在读硕士研究生，主要从事搅拌设备性能研究。