全世界經(jīng)濟發(fā)展的同時，我們周圍的環(huán)境在不斷惡化。在我國尤其如此，近二十年經(jīng)濟的迅猛發(fā)展給環(huán)境帶來嚴重影響。我國境內(nèi)的河流受污染情況十分嚴重，大多數(shù)河流的水質(zhì)都出現(xiàn)了不同程度的下降。地球上的淡水資源是有限的，在我國的北方大部分地區(qū)水資源是缺乏的，因此我國實施了南水北調(diào)工程。日益嚴重的水污染與水資源短缺，使得有效的水處理技術(shù)變得越來越重要，人們從不同的方向改進著水技術(shù)。其中，混凝技術(shù)是一種常見的水處理技術(shù)，得到廣泛的認可和推廣。水的混凝機理十分復(fù)雜，一直得到廣大學(xué)者的關(guān)注。一般認為：混凝過程中包含凝聚和絮凝兩個步驟，其中凝聚是在瞬間內(nèi)完成的，它是指化學(xué)藥劑與水接觸形成小顆粒的過程，在水處理過程中表現(xiàn)為使用各種混合設(shè)備將藥劑與水均勻地混合，其均勻的程度關(guān)系著混凝效果優(yōu)劣；絮凝是指凝聚過程中形成較小顆粒后，它們之間相互碰撞形成較大顆粒并沉降的過程。
影響混合效果的因素主要有三方面：一、廢水水質(zhì)，包括廢水中濁度、 PH 值、水溫及共存雜質(zhì)等；二、混凝劑，包括混凝劑種類、投加量和投加順序等； 三、水利條件，主要指混合的方式。混合方式有： 管式混合、水力混合、機械攪拌混合以及水泵混合等。其中管式混合主要形式有管式靜態(tài)混合器、孔板式、文氏管道混合器、擴散混合器等；機械攪拌混合是在池內(nèi)安裝攪拌裝置，以電動機驅(qū)動攪拌器將水與藥劑混合；水泵混合是將藥劑投放在水泵吸水管或吸水喇叭口處，利用水泵葉片的高速旋轉(zhuǎn)來達到快速混合。 在水處理過程中，管式 靜態(tài)混合器 具有高效混合、節(jié)約用藥、設(shè)備小等特點，它是由一組組混合元件組成，而混合元件組數(shù)的確定應(yīng)根據(jù)水質(zhì)、混合效果而定。
在不需外動力情況下，水流通過混合元件時可以產(chǎn)生較大范圍對流、返流和漩渦等運動，這些均能促使藥劑均勻的分布。在選擇 管式靜態(tài)混合器 時，其管內(nèi)流速應(yīng)控制在經(jīng)濟流速范圍內(nèi)，當水流量較大所選管徑大于 500 毫米時速度范圍可以適當?shù)胤艑挕；炷齽┑娜肟诜绞揭暂^大的速度，射流進入混合器管道內(nèi)為佳。實際應(yīng)用中管式靜態(tài)混合器的水頭損失一般在 0.4-0.6 米范圍內(nèi)，條件允許時可將管徑放大 50-100 毫米，可以減少水頭損失。本文的主要研究對象即為 管式靜態(tài)混合器 。
2 靜態(tài)混合器
靜態(tài)混合器 (static mixer) 是一種沒有運動部件的高效混合設(shè)備，它在管道內(nèi)加入靜止元件，其主要包括三類 : 一類對流體起切割作用、二是使流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)、三是使流道形狀與截面積變化 ( 圖 1-2 至 1-6) ，然后依靠流體自身的動力 ( 壓力降 ) ，在流經(jīng)元件的時候?qū)崿F(xiàn)對流體的混合，被謄為是一種“雖然非常簡單，卻能發(fā)揮巧妙的作用”的工業(yè)元件。它可以在很大的流體粘度范圍內(nèi)，不同的流動狀態(tài)下應(yīng)用，既可間歇的又可連續(xù)的操作。其能使不同的流體達到均勻混合，根本原因在于混合元件使流體產(chǎn)生分流、拉伸、旋轉(zhuǎn)、合流等運動，過程中增強了湍動，這些均極大地促進了對流擴散和紊動擴散，從而造成完善的徑向混合效果。靜態(tài)混合器有許多優(yōu)點，與動態(tài)混合器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、安裝維修簡便、混合性能好、連續(xù)工作等。有學(xué)者早在 1983 統(tǒng)計，靜態(tài)混合器的應(yīng)用使美國增加了 1400 萬美元工業(yè)產(chǎn)值。
靜態(tài)混合器*早是在 60 年代由美國的 Kencis 公司研制成功，近年來由于其良好的性能和較廣的應(yīng)用范圍得到人們越來越多的關(guān)注，同時出現(xiàn)了許多新型混合元件，但能夠制作成商業(yè)產(chǎn)品得到廣泛引用的較少。目前比較成熟且應(yīng)用廣泛的靜態(tài)混合器主要有以下六種 : 美國的 Kenics 型、 Ross 型，瑞士的 Sulzer SMV 型、 SMX 型和 SMXL 型，口本的 Hi 型。
國內(nèi)對于 靜態(tài)混合器 的應(yīng)用與開發(fā)起步較晚，無論從規(guī)模還是從發(fā)揮效益看，都遠遠沒有達到國外的水平，靜態(tài)混合器的應(yīng)用價值沒有得到充分的挖掘。國內(nèi)的靜態(tài)混合器主要為仿制國外的混合器形式，擁有自主產(chǎn)權(quán)且廣泛應(yīng)用的靜態(tài)混合器很少，所以國內(nèi)的靜態(tài)混合器的開發(fā)與應(yīng)用還有很大的前景。國內(nèi)靜態(tài)混合器根據(jù)對國外的篩選，主要類型有 :SV, SH, SK, SX 和 SL 型等五種。
內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器 ( 又稱 HEV 靜態(tài)混合器 ) 是由美國 Chemineer 公司于 20 世紀 90 年代研發(fā)成功的一款產(chǎn)品。它的元件為翼片形狀 ( 圖 1-7) 所起的作用為增大剪切、改變流道面積。這種混合器被認為具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、流動阻力小、壓力損失小以及加工制造相對容易等特點。
3 國內(nèi)外學(xué)相同，主要有實驗研究、理論研究、數(shù)值計算三種。實驗研究的優(yōu)點是獲取數(shù)據(jù)可靠，其缺點是成本高、實驗周期長、數(shù)據(jù)有限。理論分析是利用簡化的流動模型假設(shè)，給出所研究問題的解析解或簡化方程，其結(jié)果準確但由于混合器內(nèi)流動往往是復(fù)雜的湍流，給出合適的數(shù)學(xué)描述十分困難，所以應(yīng)用較少。計算流體動力學(xué)作為一種新的研究方法近年來取得了長足進步，它的優(yōu)點是成本低、獲取數(shù)據(jù)快捷、獲得數(shù)據(jù)量豐富、對復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)能力強，它的缺點是對計算模型的依賴比較大。
在近期的國內(nèi)外研究中，靜態(tài)混合器的混合機理、流體力學(xué)性能研究、混合效果研究、物性對混合影響等是人們主要關(guān)注的內(nèi)容。
在混合機理研究方面主要內(nèi)容為液滴的破碎過程與傳遞現(xiàn)象。周建軍等對液液非均相混合的液滴行為作了總結(jié)，指出液滴破碎的兩個原因 :1) 速度梯度引起的粘性剪切力 ;2) 湍流產(chǎn)生的瞬時剪切力和局部壓力波動，同時指出混合過程中還存在著液滴聚并，聚并的發(fā)生與否取決于接觸時間與聚并時間的相對大小。
Z.Jaworski 等人用 CFD 方法研究了 Kenics 混合器內(nèi)部液滴破碎過程，在 CFD 的方程中加入了 Population balance equation ，結(jié)果與預(yù)測相一致，液滴的尺寸沿著混合器和壓力降低的方向不斷地減小，*終的液滴尺寸分布及*大粒徑與實驗所得數(shù)據(jù)具有很好的一致性。對傳遞現(xiàn)象的研究集中在強化傳熱和強化傳質(zhì)兩方面。強化傳質(zhì)是靜態(tài)混合器內(nèi)發(fā)生的主要過程，同時也是混合器工作的主要目的。陳晉南對傳質(zhì)過程進行了綜述，介紹了分子傳質(zhì)、對流傳質(zhì)的基本機理，給出了描述傳遞過程的基本方程。王松平通過研究流體內(nèi)場與外場間的關(guān)系，得出強化對流傳質(zhì)關(guān)鍵在于控制內(nèi)場與外場的協(xié)同關(guān)系，從唯象上闡述了強化對流傳質(zhì)的機理，提出在對流傳質(zhì)區(qū)域內(nèi)，施加和控制各種力場的方向，各種場量方向之間相互配合可使對流傳質(zhì)加強。 Rui. Ruivo ] 研究了高壓狀態(tài)下 Kenics 靜態(tài)混合器內(nèi)流體力學(xué)特性和質(zhì)量輸運過程，在不同的壓力、溫度、入流方式和主次相流量比下測量了混合器內(nèi)部的質(zhì)量傳遞速率，回歸得出質(zhì)量傳遞速率與無量綱參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式。而對強化傳熱的研究主要針對混合器在這方面的應(yīng)用，研究靜態(tài)混合器在強化傳熱過程中減少邊界層厚度、增加擾動、增加邊界層速度梯度等作用，同時也從側(cè)面證明了其強化傳質(zhì)的作用。吳劍華等采用 Fluent 計算軟件對四葉片組合靜態(tài)混合器內(nèi)湍流換熱進行數(shù)值模擬并與 SK 型靜態(tài)混合器進行對比，結(jié)果表明，在 1 04≤ R e≤ 105 范圍內(nèi)，前者的傳熱效率比后者提高約 20% 。過增兀等運用場協(xié)同理論分析了強化傳熱和傳質(zhì)過程，發(fā)現(xiàn)所有的強化措施*終均是增強場協(xié)同性。 在靜態(tài)混合器內(nèi)流場研究方面，主要研究速度、湍動能、壓降等參數(shù)的分布，進而分析它們的影響。再此基礎(chǔ)上可以有根據(jù)地進行混合器優(yōu)化，通過改變結(jié)構(gòu)、入口條件等參數(shù)改變流場特性，進而優(yōu)化靜態(tài)混合器性能。 Hyun-Seob Song 等對 KENICS 靜態(tài)混合器的壓力場做了數(shù)值模擬與實驗研究，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)、雷諾數(shù)、混合元件的長徑比對壓力分布有著重大影響。趙建華等對 SMV 靜態(tài)混合器流場作了數(shù)值模擬與實驗研究，得出對稱面上的速度分布，模擬與實驗所得的速度場吻合較好。 S.Hirschberg 等對 SMX 靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)進行了改進，改進后的混合器混合效果類似改造前的情況時，壓降減少了 50% ，用 CFD 方法得出新型混合器的壓力場、混合效果和停留時間分布，并用實驗做了驗證，兩者一致性較好。
AlbertRenken 等人研究發(fā)現(xiàn)，混合元件擺放位置的周期性變化，可以使流動產(chǎn)生周期性的流向變化，這將極大地促進混合效果，即實現(xiàn)無序混合。
物性對混合效果的影響主要集中在混合物質(zhì)間粘性比、密度比等對混合效果的影響。孟輝波等根據(jù)流體動力學(xué)、非線性動力學(xué)及 Ottino 理論，建立了高勃度流體在 SK 型靜態(tài)混合器內(nèi)的流體流動的改進模型，用 Poincare 映射方法對靜態(tài)混合器內(nèi)的蠕動流的動力學(xué)行為進行了數(shù)值仿真研究，得出 SK 混合器內(nèi)高粘度流體徑向流動存在混沌特性。 Christian Lindenberg 研究了主次相不同粘性比下的混合耗時，指出在低雷諾數(shù)情況下，混合所需時間隨粘性比增大而減小，在高雷諾數(shù)下情況相反，*后總結(jié)得出混合耗時是速度、流體進口尺度、粘性的函數(shù)。
對混合效果的研究則是直接用數(shù)值模擬獲得出口的體積分數(shù)分布，或在實驗中使用有色試劑觀察出口分布情況。苗圃等對 PDMS 微流體混合器的混合器效果進行了實驗研究，將離子水和紅墨水按相同比例注入混合器，用照相機拍攝管內(nèi)流動，稱量混合液的密度并以此驗證混合效果。劉素芬對 SOR 混合器性能的研究通過直觀的羅丹明和去離子水的混合實驗來進行，研究了混合單元數(shù)目和流量影響，確定了混合效果與壓損的合理結(jié)合點。 Chandra MouliR 等對 kenics 公司 KMX 靜態(tài)混合器氣液兩相流動作了實驗研究，對停留時間和流體阻力進行了分析。實驗表明 peclet 數(shù)隨著純液體流速的增加而增加，而黏度增加將引起 peclet 數(shù)減小 ; 流動阻力實驗表明其是氣液兩相速度的函數(shù)，同時與流體的物性參數(shù)有很大的相關(guān)。
內(nèi)置翼片 靜態(tài)混合器自從其推出以來由于其結(jié)構(gòu)簡單、混合效果較好得到廣泛應(yīng)用，有許多學(xué)者對該混合器進行研究 : 張鴻雁等對該類混合器內(nèi)三種翼片的混合效果進行了大渦模擬，縱向偏轉(zhuǎn)角度、翼片間距等參數(shù)一致的情況下得出長翼片類型可以達到混合效果和能量損失的*佳結(jié)合。金文改變了混合器內(nèi)的翼片排列方式，比較順排和錯排兩種情況下的混合效果，結(jié)果表明錯排情況下效果較好些。尹紅霞對混合器內(nèi)翼片的擺放進行了變化即進行了錯排，錯排的角度逐漸發(fā)生變化，從 30 0 至 60 0 逐漸變大，結(jié)果顯示變化后取得了更好的混合效果。陳曉春以流動方向為基準對傾斜角度進行優(yōu)化，縱向偏轉(zhuǎn)翼片，分別計算了 30 0 ， 45 0 ， 60 0 三種角度下的混合過程，結(jié)果表明傾斜角度在 30 0 時，壓力損失小，并且混合效果好。 Hakim Monhand Kaci 等用實驗和數(shù)值模擬方法研究內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器流向渦對湍流混合的影響，在雷諾平均方法下使用了不同的湍流模型并與實驗相對比，結(jié)果表明 K- §模型是精度與計算量的*佳方法，模擬和實驗均顯示在葉片后產(chǎn)生了流向渦對流體的混合具有較強的促進作用。
Charbel Habchi 等改變內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器的葉片擺放，對修改前后的混合器進行數(shù)值模擬和實驗研究，結(jié)果表明周期改變?nèi)~片擺放位置有利十加強湍流強度，促進混合。 R. Wadley 使用激光誘導(dǎo)技術(shù)測量內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器的混合效果，觀察得出主、次相流量比并不影響混合效果，而混合器長度、次相流入方式、雷諾數(shù)對混合有著重大影響。 T.Lemenand} 對內(nèi)置翼片靜態(tài)混合器內(nèi)不相溶的兩相 ( 油與水 ) 流動中油滴破碎作了理論與實驗研究，理論計算的*大粒徑與實驗相差在 15% 以內(nèi)，同時得出翼片后是油滴破碎的主要區(qū)域。張正成改變了次相入流方式，研究發(fā)現(xiàn)入流方式對混合效果有著很大影響，對于二股流體的混合，入流方式不同，即使其它條件 ( 如混合器規(guī)格、流率比、表觀線速度等 ) 均相同，混合質(zhì)量也不同。在管壁、垂直入流兩種方式中，發(fā)現(xiàn)垂直入流效果較好且容易實現(xiàn)。
從研究現(xiàn)狀可看到，在對靜態(tài)混合器各種研究方法中，數(shù)值模擬是研究靜態(tài)混合器內(nèi)部流場及混合效果的重要手段之一，通過數(shù)值模擬可以得到與實驗相近的結(jié)果，數(shù)值模擬有許多優(yōu)點主要為：
（ 1) 成本低：在實際問題研究過程中，數(shù)值模擬所需成本只是幾臺計算機，幾乎不再需求其它任何設(shè)備，其相對于實驗研究的成本要低幾個數(shù)量級。在實驗研究前，可以用計算所得的解預(yù)測所研究物理問題的結(jié)果，為實驗研究做好鋪墊。
(2) 速度快：數(shù)值計算對一種方案的研究時間很短，且可以同時對多個方案進行計算研究，而實驗研究中多方案同時進行則需大量的設(shè)備和投入，幾乎不可能實現(xiàn)。
（ 3) 資料完備：主要指實驗研究中測量數(shù)值時，某些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)正確的測量較為困難其獲得的數(shù)據(jù)不是十分可信。而數(shù)值模擬可以提供計算區(qū)域內(nèi)所有變量 ( 如速度、溫度、湍流耗散率、濃度、紊流強度等 ) 的值，在計算中可以達到區(qū)域內(nèi)所有位置。
（ 4) 能夠模擬真實條件：主要指在創(chuàng)建所研究問題的幾何模型時，可以依據(jù)其實際尺寸來創(chuàng)建，不需要放大或縮小。
（ 5) 能夠模擬理想條件：當研究物理問題時，由于實際問題往往較為復(fù)雜，在不影響結(jié)果準確性的前提下，人們希望通過若干理想化的條件 ( 如絕熱表面 ) 簡化問題。這些理想化條件在數(shù)值模擬中很容易實現(xiàn)，而再**的實驗也很難實現(xiàn)
