SK型靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬_方志林

1、第 23卷 第 4期 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào) Vol. 23No. 4 2013年 8月 Journal of Guangdong University of Petrochemical Technology Aug. 2013SK 型靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬 *方志林(巢湖學(xué)院 化生學(xué)院 , 安徽 巢湖 238000摘要 :利用專業(yè)的多物理場(chǎng)耦合軟件 COS MOL Multiphysics 對(duì) SK 型 靜態(tài)混 合器內(nèi) 的不可 壓縮層 流流場(chǎng)進(jìn) 行了仿 真模擬 , 計(jì) 算過(guò)程中采用軟件中的層流流動(dòng)和稀物質(zhì)的傳遞內(nèi)置模塊 , 得到了靜態(tài)混合物中流體的濃度 場(chǎng)、 速度 場(chǎng)及壓力 場(chǎng)分布。由 于螺旋混

2、合元件的作用 , 流體做螺旋運(yùn)動(dòng) , 通過(guò)對(duì)流體的剪 切、 旋 轉(zhuǎn) , 使流體 充分混合 , 結(jié) 果在出口 處幾乎 混合完 全。利用 后處理軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析 , 為其性能測(cè) 試提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 :SK 型靜態(tài)混合器 ; COS MOL Multiphysics; 數(shù)值模擬中圖分類號(hào) :TQ051.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :2095-2562(2013 04-0084-03SK 型靜態(tài)混合器又稱單螺旋形靜態(tài)混合器 , 它的單元是扭轉(zhuǎn) 180b 或 270b 的螺旋板 , 安裝入管殼時(shí)相 鄰的螺旋板分別為左旋和右旋。當(dāng)流體逐次流過(guò)每個(gè)元件時(shí) , 即被分割成越來(lái)越薄的薄片 , 其數(shù)

3、量按元件 數(shù)的冪次方增加。由于混合單元的使用 , 使流體時(shí)而左旋 , 時(shí)而右旋 , 不斷改變流動(dòng)方向 , 不僅將中心液流 推向周邊 , 而且將周邊流體推向中心 , 從而造成良好的徑向混合效果。與此同時(shí) , 流體自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在 相鄰元件連接處亦會(huì)發(fā)生 1。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)方法的日趨成熟 , 越來(lái)越多的學(xué)者 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (C FD 方法對(duì) SK 型靜態(tài)混合器的流體力學(xué)行為進(jìn)行研究 , 大多數(shù)報(bào)道的結(jié)果顯示 SK 型靜態(tài)混合器的流場(chǎng)由雷諾數(shù)混合元件的結(jié)構(gòu)及個(gè)數(shù)等條件決定。但在模擬計(jì)算時(shí)由于流體的流動(dòng) 會(huì)影響到流體混合的效果 , 也就是說(shuō)流體的速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)會(huì)有耦合 , 常

4、規(guī)的 CFD 模擬不能同時(shí)得到幾 個(gè)物理場(chǎng)的同時(shí)模擬。 COMSOL Multiphysics 是以有限元法為基礎(chǔ) , 通過(guò)求解偏微分方程 (單場(chǎng) 或偏微分 方程組 (多場(chǎng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真 , 被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為 /第一款真正的任意多物理場(chǎng)直接耦合分 析軟件 0。該軟件的內(nèi)置應(yīng)用模塊功能為這一物理耦合的研究提供了可能 2。1SK 型靜態(tài)混合器裝置COSMOL Multiphysics 仿真要經(jīng)歷建立選擇空間維度、 增加物理量、 幾何模型、 定義物理參數(shù)、 劃分有限元網(wǎng)格、 求解、 可視化后處理等過(guò)程 3。SK 型靜態(tài)混合器的幾何模型如圖 1所示 , 它由一個(gè)管道組成 , 管道具有三

5、個(gè)交替旋轉(zhuǎn)的扭曲葉片 ,這種混合技術(shù)特別適合層流混合 , 因?yàn)樵诹鲃?dòng)區(qū)域它只產(chǎn)生小的壓力損耗。 圖 1三個(gè)交替旋轉(zhuǎn)葉片的靜態(tài)混合器2SK 型靜態(tài)混合器仿真模擬2. 1邊界條件進(jìn)口邊界條件為速度入口 ; 出口邊界條件為自由流出口 ; 面默認(rèn)為固壁無(wú)滑移光滑界面。層流時(shí)的速*收稿日期 :2013-05-06; 修回日期 :2013-05-28:( , 男 , , :度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布 , 在管壁處速度為零 , 離開(kāi)管壁以后速度漸增 , 到管中心處最大 , 其速度分布 方程為 :u =u max (1-r 2/r 2 (1其中 , u 為管內(nèi)任意處的速度 , m P s; u max 為流體

6、在圓管中的最大流速 , m P s; r 為管內(nèi)任意質(zhì)點(diǎn)處到軸心距 離 , m; R 為管內(nèi)半徑 , m 。以溶解在水中的物質(zhì) (CaSO 4 的混合過(guò)程進(jìn)行模擬。已知進(jìn)入靜態(tài)混合器的平 均流速 u -為 0. 01m P s, 入口的濃度為 5mol P L, 粘度 L 為 110-3pa #s, 密度 Q 為 1000kg P m 3, 擴(kuò)散系數(shù) D 為 510-8m 2P s 。雷諾數(shù)按 Re =d Q u P L 計(jì)算為 120, 流動(dòng)狀態(tài)為層流。2. 2 數(shù)學(xué)模型求解流體流動(dòng)控制方程可以表示為 4:9(«Q +di M (Q u « =di M (#grad &#

7、171; +S (2 其展開(kāi)形式為 :+=1#+1#+1#2+S (3 其中 :«為通用變量 , #為廣義擴(kuò)散系數(shù) , S 為廣義源項(xiàng)。稀物質(zhì)的傳遞方程可以表示為 :¨#(-D ¨c+cu =0(42. 3 物理模型 SK 混合葉片將所在的管道分為兩部分 , 流體被迫沿葉片流動(dòng)。其中管道的半徑 R =6mm, 管道長(zhǎng)度 84mm, 混合器旋轉(zhuǎn)葉片的長(zhǎng)度為 18mm 。在出口處質(zhì)量傳遞主要靠對(duì)流來(lái)進(jìn)行 , 也就是說(shuō)可以忽略管道 的徑向擴(kuò)散。由于對(duì)流項(xiàng)導(dǎo)致解的不易收斂 , 所以需要一個(gè)精細(xì)的網(wǎng)格剖分來(lái)獲得濃度場(chǎng)的穩(wěn)定解。在 層流狀態(tài)下 , 由于低的雷諾數(shù)意味著奈維 -

8、斯托克斯 (簡(jiǎn)稱 N-S 方程不需要特別致密的網(wǎng)格。因此 , 在 求解序列時(shí)您可 以先解決 N-S 方程在 粗糙 的網(wǎng)格 , 然后規(guī)劃到一個(gè)更精細(xì)的網(wǎng)格解決濃度場(chǎng)的求解方案。用自由四面體網(wǎng)格剖分 , 共有 24445個(gè)單元網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖 2。 圖 2 SK 型靜態(tài)混合器網(wǎng)格劃 分示意圖 3 模擬結(jié)果與分析3. 1 濃度分布切面圖在 SK 型靜態(tài)混合器中由于螺旋形葉片的存在 , 流體在混合器內(nèi)有四個(gè)基本的運(yùn)動(dòng) :物流的分割、 物 流的改變方向、 物流的內(nèi)外側(cè)置、 向后再混合。流體流經(jīng) 3個(gè)扭轉(zhuǎn)葉片 , 被切割 3次 , 切割的層數(shù)為 8層 , 起著良好的分 流作用。再加 上流體的徑向 混合作

9、用 , 使得每個(gè)混合元件對(duì)流股起著分割和流向?qū)б?,產(chǎn)生高效的相間傳遞 , 從而大大強(qiáng)化了混合 , 實(shí)現(xiàn)快速混合。圖 3顯示了靜態(tài)混合器內(nèi)的濃度分布切面圖。在入口處的切片圖顯示的較亮和較暗的一半的流體涇渭分明說(shuō)明流體還未混合。當(dāng)流體向上流動(dòng)通過(guò)該靜態(tài)混合器時(shí) , 上述兩種溶液混合 , 并在出口處得到一個(gè)幾乎不變的濃度。3. 2 速度分布流線圖當(dāng) Re =120時(shí) , SK 型靜態(tài)混合器內(nèi)的速度分布 圖 3 離入口不同距離處的濃度切面圖, 85第 4期 方志林 :SK 型靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬于混合元件的扭轉(zhuǎn) , 流體在沿著混合管軸線向前運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻擋 , 軸向速度在截面內(nèi)的速度分布側(cè)形和空 管時(shí)

10、大不相同。在每半個(gè)圓截面都有一個(gè)狹小的區(qū)域速度最大 , 而其它靠近壁面的地方 , 由于固體壁面的 粘附作用使得流體速度變慢。由于螺旋葉片對(duì)流體的拉伸作用 , 可明顯看出圓心周圍的高速區(qū)被拉長(zhǎng)變 形 , 邊界區(qū)內(nèi)的低速流體受混合器葉片剝離逐漸進(jìn)入中央?yún)^(qū) , 其流速大小在這一過(guò)程中得到提升。從軸向 速度大小看 , 不同截面的速度都處于同一數(shù)量級(jí) ; 而對(duì)于徑向速度而言 , 剛?cè)肟跁r(shí)速度的大小整體都很小 , 隨著螺旋葉片的扭動(dòng) , 由于作用在與流體的主流相垂直方向上的作用力引起了二次流 , 故而在出口處徑向 的平均速度大大超過(guò)了入口處的平均速度。流體從 SK 型靜態(tài)混合器的入口處被分割為 2股 ,

11、以相反的方 向旋轉(zhuǎn)。 2股流體被螺旋葉片分割成 2股單獨(dú)流體后 , 由于其操作條件和邊界條件相同 , 故 2股流體的流 動(dòng)規(guī)律是相似的。從圖 4還可以看出 SK 型靜態(tài)混合器速度呈分布關(guān)于其軸線對(duì)稱。3. 3 壓力分布表面圖壓力降是表征靜態(tài)混合器性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo) , 也是生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用比較關(guān)心的 , 壓力降的大小涉及到 能耗成本的計(jì)算 , 管路改造中也應(yīng)考慮管路前后工序?qū)簭?qiáng)的要求?；旌显趯?shí)現(xiàn)管內(nèi)混合過(guò)程強(qiáng)化 的同時(shí) , 也使流體流經(jīng)混合管的壓力損失大大高于流經(jīng)光滑空管的壓力損失。在流體沿著管道流動(dòng)時(shí) , 混 合元件的存在不可避免地增加了流體沿流動(dòng)方向的阻力 , 增加了靜態(tài)混合器內(nèi)的壓力降

12、。從圖 5可以看 出 , 入口處和出口處壓力變化不大 , 原因是混合器內(nèi)的流體流動(dòng)為層流 , 混合元件數(shù)不多只有三個(gè) , 故壓力 損耗較小。圖 4 混合 器內(nèi)的速度場(chǎng)流線圖 圖 5 混合器內(nèi) 的壓力場(chǎng)表面圖4 結(jié)論基于 COSMOL Multiphysics 軟件對(duì) SK 型靜態(tài)混合器內(nèi)的濃度場(chǎng)、 速度場(chǎng)、 壓力場(chǎng)進(jìn)行了研究 , 得到了以 下結(jié)論 :(1 計(jì)算模擬結(jié)果表明采用多物理場(chǎng)耦合軟件 C OSMOL Multiphysics 對(duì) SK 型靜態(tài)混合器的流動(dòng)特 性進(jìn)行模擬 , 計(jì)算效率高和分析方便 , 符合工程需要。 (2 在靜態(tài)混合器內(nèi)由于螺旋混合元件的作用 , 流體 做螺旋運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)

13、流體的剪切、 旋轉(zhuǎn) , 使流體充分混合 , 結(jié)果在出口處幾乎混合完全。 (3 由于螺旋葉片 的旋轉(zhuǎn) , 流速的大小和方向不斷發(fā)生變化 , 隨著流體沿著管道的流動(dòng) , 其速度分布越來(lái)越不均勻。 (4 靜態(tài) 混合器流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流 , 混合元件數(shù)為三個(gè)交替的螺旋葉片 , 壓力損耗較小。參考文獻(xiàn) 1龔斌 , 包忠平 , 張春梅等 . 混合元件數(shù)對(duì) SK 型靜態(tài)混合器流場(chǎng)特性的影響 J.化工學(xué)報(bào) , 2009, 60(8 :1974-1979.2劉春江 , 陸寒冰 , 劉輝等 . 靜態(tài)混合器流體力學(xué)性能的 C FD 模擬 J.天津大學(xué)學(xué)報(bào) , 2007, 40(6 :677-682.3中仿科技公司

14、 . COSMOL Multiphysics 中文使用手冊(cè) M. 北京 :中 仿科技公司 , 2008.4王福軍 . 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 -CFD 軟件原理與應(yīng)用 M.北京 :清華大學(xué) 出版社 , 2004(下轉(zhuǎn)第 90頁(yè) 86廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào) 2013年控制風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率 , 降低風(fēng)險(xiǎn)損害的程度。降低風(fēng)險(xiǎn)的常用方法包括 :¹進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè) , 提高風(fēng)險(xiǎn)意 識(shí) ; º對(duì)決策進(jìn)行多方案的優(yōu)選 , 準(zhǔn)備代替方案 ; »采取降低風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)措施 , 預(yù)先防范風(fēng)險(xiǎn)。3 轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn) 。轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)是指企業(yè)以一定的代價(jià) , 采取某種方式、 措施將發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)損失轉(zhuǎn)移出去的風(fēng) 險(xiǎn)防范

15、方式。轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)可分為保險(xiǎn)轉(zhuǎn)移和非保險(xiǎn)轉(zhuǎn)移兩種。4 接受風(fēng)險(xiǎn) 。對(duì)于損失較小的風(fēng)險(xiǎn) , 如果企業(yè)有足夠的財(cái)力和能力承受損失 , 可以采取風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)和風(fēng) 險(xiǎn)自保 , 自行消化風(fēng)險(xiǎn)損失。5結(jié)語(yǔ)綜上所述 , 通過(guò)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生、 發(fā)展情況分析 , 以及財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的形成因素、 現(xiàn)象、 形式等的探索研究 , 可 以看出 :只有收集了相關(guān)資料 , 采用相應(yīng)措施和研究方法 , 對(duì)企業(yè)進(jìn)行必要的研究 , 分析企業(yè)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警 的信息表現(xiàn) , 對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行分析、 判斷和運(yùn)用 , 才能找到相關(guān)的應(yīng)對(duì)方法 , 建立健全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系。參考文獻(xiàn) 1趙潤(rùn)華 . 財(cái)務(wù)管理 M. 北京 :北京交通大學(xué)出版社 , 2010:28

16、.2張平韜 . 公司財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確立 J. 價(jià)值工程 , 2011(7 :24-25.3張新民 , 錢愛(ài)民 . 財(cái)務(wù)報(bào)表分析 M.北京 :中國(guó)人民大學(xué)出版 社 , 2012:261.4胡華 . 現(xiàn)代企業(yè)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的成因及防范 J. 會(huì)計(jì)之友 , 2011(2 :52-53.5荊新 , 王化成 , 劉俊彥 . 財(cái)務(wù)管理學(xué) M. 北京 :中國(guó)人民大學(xué)出版社 , 2011:31.6孔德蘭 . 財(cái)務(wù)管理實(shí)務(wù) M. 北京 :中國(guó)人民大學(xué)出版社 , 2011:26.On Enterprise Financial Risk Pre -warning SystemFE NG Ping(Maoming

17、Vocati onal College, Maomi ng 525000, Chi naAbstract :Financial risk pre-warning is a trend of financial management for modem enterprises. The article includes the reasons of fi nan -cial risk and the significance of establishing a financial risk pre-warning system. Then on the basis of the precedin

18、g analysis, the author desi gns a set of indexes for i t.Key words :risk; pre-warning; financial index(上接第 86頁(yè) Numerical Simulation of Kenics Static MixerFANG Zhi-Lin(College of Che mis try and Biology Engineering, ChaoHu Colle ge, ChaoHu 238000, ChinaAbstract :The three dimension uncompressed field of laminar flow was simulated through a kenics static mixer by using professional coupled mul tiphysics software COSMOL Multiphysics. Lami nar flow and transport of diluted spe