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搅拌釜中泵送能力系数的研究*毛德明冯连芳王凯(浙江大学高分子科学与工程系,杭州,310027)简要分析了圆盘涡轮搅拌釜中泵送能力系数的研究情况及存在的问题。通过激光多谱勒测速仪对搅拌釜内三维速度的测量,定义了三维意义上的总体泵送能力系数,并提出了由切向速度定义的切向泵送能力系数的概念。总体泵送能力系数较初始泵送能力系数和循环流量更能真实反映搅拌釜内的流动。叶轮安装高度为搅拌釜直径的1/3时,轴向或径向总体泵送能力系数约为1.9;叶轮安装高度为搅拌釜直径的1/2时,轴向或径向总体泵送能力系数约为2.3;切向总体泵送能力系数约为0.55。关键词:搅拌釜泵送能力系数混合激光多普勒测速仪1研究情况及存在问题圆盘涡轮被广泛应用在化学工业的气液混合和剪切操作中。许多研究工作都把它作为标准,对其水动力学的研究,主要集中在泵送能力系数K上。因为它是设计叶轮时的一个关键性参数。文献1认为K变化大的原因是:(1)工作介质和实验装置不统一;(2)测试方法和测试手段不一样。作者认为还有一个原因,即数据处理方式不一样。较早的文献称泵送能力系数为叶轮排出系数,近来称泵送能力系数,文献2,3又称初始泵送能力系数,其定义为:叶片以径向速度(Vr)在叶片宽度Bw范围甩出去的体积流量(Q):大。文献2利用一平面内涡心的位置,积分得出涡心内外侧循环流量各为Qc1,Qc2:r0r0Qc1=∫r2πrVzddr+∫ri2πrVzudr(4)iRRQc2=∫r02πrVzddr+∫r02πrVzudr(5)并且发现Qc2总比Qc1小10%～20%,该文献认为这是由实验误差引起的。文献对该流场作了轴对称假设,认为涡心的位置不随测量面偏离挡板的角度(θ)而变化。事实上涡心是随θ而变化的,并且流场不是轴对称的。这一点从文献2中也可以看出:θ=0°,z0=±0.4D,r0=D;θ=45°,z0=±0.75D,r0=1.2D。仔细研究文献6中的结果,发现K大的叶轮,循环流量不一定大,有时反而小。因此,非常有必要用一个合适的参数来描述由叶轮转动所引起的流动。综上所述,由于实验设备的改进,搅拌釜中这一特性参数或这一类特性参数已经向主流区扩展开来,不再仅仅局限于叶片出口。同时可以发现无论是K还是循环流量,都不能确切地反映由叶轮引起的釜内的三维流动情况。为了真正反映釜内的流动和混合,本文定义了总体泵送能力系数。K=Q/ND3(1)式中,0.5Bw∫-0.5BwQ=πDVrdz(2)近几年来,国外主要用激光多谱勒测速仪(LDA)来研究,国内也已开始用LDA。由于测点定位问题,很难真正测到叶片边缘,而只能测到距叶片边缘一微缝隙S,因此0.5Bw∫Q=π(D+2S)(3)-0.5wVrdzB国内有的研究者,用单颗粒子或多颗粒子悬收稿日期1995-07-10;修改稿收到日期1996-10-25。作者简介:毛德明,男,博士生。国家自然科学基金资助项目。4,5浮法,作了这方面的研究,也取得了较好的结果。由于渗混,叶轮射流区内的K随r增加而增*第3期毛德明等.搅拌釜中泵送能力系数的研究·147·2总体泵送能力系数的定义文献中所报道的搅拌釜大部分采用4块标准挡板,并作轴对称假设来求K。作者认为,他们忽略了釜内的三维流动,对搅拌釜分析可知其在几何上是1/4轴对称的。故本工作对搅拌釜内的流动作轴向1/4对称的假设,测量了偏离挡板0～90°时涡心位置的变化,而积分得出三维意义上的径向总体流量Qr,轴向总体流量Qz,切向总体流量Qθ。图1为测量面及相应总体泵送能力系数的积分域,坐标原点为搅拌桨中心,则可将周期性变化抹平。(2)实验装置是一整体系统。(3)流场是1/4轴对称的。Fig2Parametersoftheagitatorandthediscturbine0.5θQr=4∫0Tdr0Vrdzdθ(6)∫-Td0.5TRQθ=∫∫Vθdrdz(7)4实验结果及分析图3为θ=45°下,C=T/3,N=300r/min和C=T/2,N=110r/min时的轴向速度Vz剖ri-0.5T0.5θr0Qz=4∫0∫ri(8)rVzdrdθ对圆盘透平类径流式叶轮,可以分别求出径向、轴向和切向总体泵送能力系数(Nr,Nz,Nθ):面。图中存在Vz为0的点,该点对应的r0随θ而变化,如图4所示。图5为按式(4),(5)积分得到的不同θ时的Nz,可以看出,Nz是随θ变化的。因而将搅拌釜内的流动看作轴对称是有问题Nr=Qr/ND3Nθ=Qθ/ND3Nz=Qz/ND3(9)(10)(11)的,这也就是文献2～20%的原因。得到Qc2总比Qc1小10%Fig3ProfilesofaxialvelocityVznearthevertex1.C=T/3,z=TdDownheightwhenradialvelocity(Vr)=0;2.