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浅析潜水搅拌器的流场特点(二)
点击次数:110 发布时间:2020-02-18 返回

通过以往发布的潜水搅拌器相关技术文章内容我们可以了解到,污水处理厂中的潜水搅拌器所在水池内的流体是在潜水搅拌器与水池池壁的共同作用下流动的,且流体流动态势一般较为复杂,概括来说会存在以下三种特别的现象:

1、卷吸现象

流体从叶轮内以初始速度u射出后,与周围静止流体形成速度不连续的间断面。由湍流力学知识可知,速度间断面是不稳定的,必定会产生波动,并发展成旋涡,从而引起紊动,这样就会把原来周围处于静止状态的流体席卷到射流中,这就是卷吸现象。随着紊动的发展,被卷吸并与射流一起运动的流体不断增大,射流边界逐渐向两侧扩展,流量沿程增大,由于周围静止流体与射流的掺混,相应产生了对射流的阻力,使射流边缘部分流速降低,难以保持原来的初始速度。越往下游,射流的边界就越宽,流量也越大,而流速就越小。

2、附壁效应

图1(a)所示为平行于池底的轴截面上叶轮出口的流线图,图1 (b)所示为垂直于池底的轴截面叶轮出口流线图。水池的壁面分别为池壁a、池壁b、安装壁面、池壁d、池底以及池面。图1(c)显示了潜水搅拌器内沿轴向各个截线上较大速度的位置。由图3.4不难发现,流体经由搅拌器冲出叶轮后,射入水池。池内沿着轴向各个截线上较大流速对应的位置是先向池底偏移,然后向上抬起,之后在(2430, 240.84)这个点,己经超过轴中线,移到水池内偏上的位置。同时,流线还会先向池壁b偏移,流体与池壁b相互作用,流线再向池壁a移动。由之前相关资料和图1水池内流体偏向池底和池壁b流动可知,这与潜水搅拌器的安装位置有关, 一般潜水搅拌器为非对称安装,且偏池底安装,该现象为附壁效应,又称康达效应或柯恩达效应。附壁效应是指流体(水流或气流)离开本来的流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时,流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大,依据流体力学中的伯努利原理, 流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。在潜水搅拌器搅拌的水池里普遍存在附壁效应。

潜水搅拌器叶轮流速图图1 

3、旋涡现象

从图2(a)、 (b)可以观察到11个涡,其中1号、2号、8号、9号和10号为大尺寸涡圈结构;5号涡尺寸小一些;3号、4号、6号、7号为叶片附近的涡,尺寸较小;11号涡为大尺度A形涡结构,存在分流区。2号、4号、6号、7号涡为顺时针方向旋转,1号、3号、5号、8号、9号、10号涡为逆时针方向旋转。由于附壁作用,水流偏向近壁流动,当流体碰到池壁后,流体沿着池壁流动,边界层内流体会逐渐减速、增压。由于流体流动的连续性,边界层会变厚,在同一时间内流过更多的低速流体,流体进一步减速,之后整个边界层内流体的动能都不足以长久地维持向下游流动,以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反,即产生逆流。 该逆流会把边界层向势流中排挤,造成边界层突然变厚或分离。边界层分离之后,它将从紧靠物面的地方抬起进入主流,形成了旋涡。图2(c)截面a、截面b、截面C、截面d分别为四个过轴线的截面上涡强度云图。由图2(c)可发现叶片的背面轮缘处产生了涡带,流体螺旋式向前流动,且涡带的中心区域均穿过云图上颜色较深区域,即涡带中心区域为涡强度较大的区域。这是由于叶轮叶片工作面压力大于背面压力,叶片工作面流体与背面流体存在速度差,背面的流体绕过轮缘流向工作面,形成旋涡,旋涡与主流相互作用形成一个长长的涡带扫射下去。这正如流体力学家陆士嘉所说:“流体经不起搓,一搓就出现了旋涡。”

水池里各种大尺度的涡以及很多小尺度的涡,都是池壁与潜水搅拌器对水流相互作用,使得旋转体尾迹形成的涡与流体在池壁边界层分离形成的涡相互作用的结果,流态极其复杂。

在水池内存在一些死区,在死区内流体速度较低,流体在死区内打转,无法与别处的流体发生流动,此处的污水无法充分搅拌,从而影响搅拌效果。因此,我们期望水池内的死区点越少越好,死区面积越小越好。

搅拌器流线图图2

如图3所示,设以潜水搅拌器出口且垂直于池底的截面为x9=0,分别对 Xi =3300mm、x2=2900mm、x3=2400mm、 x4=l900mm、x5= 1400mm、x6=400mm、x7=100mm、x8=20mm、x9=0、x10 =-80mm、x11 =-1O0mm、X12=-200mm、 x13=-300mm、 x14=-4O0mm、 x15=-500mm进行考察。设垂直于池底的轴截面为y截面,平行于池面的轴截面为z截面,z4 =0,沿池面到池底,分别取 z1=700mm、 z2=500mm、 z3=100mm、 z4=0、 z5=-100mm、 z6 =-300mm六个截面,15个x截面与6个z截面分别与y截面相交得到15条x截线,6条z截线。 分别对这21条截线上数据进行分析。

 

如图3所示为垂直于潜水搅拌器机轴的15个截面,在这15个截面中, x8=2Omm为潜水搅拌器叶轮出口外某截面,x9=0为潜水搅拌器出口截面,x10=-80mm为潜水搅拌器叶轮进口截面。图4所示为该15个截面上的流线图,叶轮附近的截面流线基本相同,均有很明显的四个大的旋涡。水池的池面靠近侧壁 a附近有一个旋涡,水池侧壁b附近偏池底的位置有两个旋涡,潜水搅拌器安装位置的下部靠近池底附近位置有一个旋涡。水池中部,流体较为紊乱,旋涡较大, 且较为明显,在整个截面上形成较为明显的回流。在池壁与潜水搅拌器共同作用下,x3= 2400mm处池内流体形成了两个很大的旋涡。在远离潜水搅拌器的对面池壁上,池内流体碰撞池壁;潜水搅拌器安装位置与潜水搅拌器之间的流体,在x12=-200mm、 x13=-300mm、 x14=-400mm、 x15=-500mm这四个截面上, 池面流体很不平稳,旋涡主要出现在池底靠近侧壁a附近位置上。

雷诺数是衡量惯性力与豁性力相对强弱的一个无量纲数,雷诺数越大,表示惯性力对豁性力更加占主导作用,惯性力越占主导作用,湍流就越剧烈。

化工搅拌机械以及食品搅拌机械中,用于搅拌罐搅拌机械的雷诺数计算公式

搅拌机雷诺数计算式中,D为搅拌机叶轮直径(m);n为转速(r/min);ρ为液体密度(kg/m3);u为液体的动力黏度(Pa▪s)。

搅拌器截线图图3

 

而此计算公式也曾是早期对螺旋桨雷诺数的表示方法。

目前,普遍应用的螺旋桨雷诺数表示方法是1977年ITTC国际航模试验池会议委员会规定的,螺旋桨的雷诺数以0.75处叶切面弦长以及进速来表示,即

螺旋桨雷诺数计算

式中,VA为进速(m/s);n为转速(r/min);D为螺旋桨的直径(m); b为0.75R处的弦长(m);v为水的运动黏性系数(㎡/s)。

潜水搅拌器流态截面图图4

 

结合肯夫在汉堡试验池做的系列实验以及我国上海交通大学船舶流体力学实验室为研究尺度作用需要做的系列实验结果,ITTC国际船模试验池会议规定,螺旋桨的临界雷诺数为3×105,即当Re > 3×1O5时,流体属于湍流状态,螺旋桨的性能几乎与雷诺数无关。

湍流强度为湍流脉动速度与平均速度的比值,是衡量湍流强弱的相对指标,I= 0.16Re-1/8。湍流强度越大,则射流出口断面处流体越混乱,射流与周围介质的流渗强度越大,使射流的扩散角也越大。I<0.01为低湍流强度,I>0.1为高湍流强度。

从目前我国广泛应用的潜水搅拌器中挑选10种,这10种潜水搅拌器直径从 180mm到620mm,转速从1410r/min到480r/min,涵盖范围广,具有代表意义。 为了简化计算,本次计算将选用公式Re = D2nρ/μ对潜水搅拌器的雷诺数进行计算分析。在搅拌机的规定工况下工作,其叶轮内及附近的流体雷诺数与湍流强度如下表所示,雷诺数在4.5×107以上,湍流强度均在0.014~0.02,故叶轮内部及叶轮附近流体属于高雷诺数中等湍流强度的流体,叶轮出口处及出口附近湍流剧烈,流体紊乱。

潜水搅拌器附近流体雷诺数与湍流强度对照

 

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