攪拌器中的流型流場(chǎng)介紹

攪拌器內(nèi)的流型取決于攪拌方式，攪拌器、釜、擋板等的幾何特征，流體性質(zhì)以及轉(zhuǎn)速等因素。在一般情況下，攪拌軸安裝在釜中心時(shí)，攪拌將產(chǎn)生三種基本流型：1.切向流；2.軸向流；3.徑向流。上述三種基本流型，通?？赡芡瑫r(shí)存在。其中，軸向流與徑向流對(duì)混合起主要作用，而切向流應(yīng)加以抑制，可通過(guò)加入擋板削弱切向流，以增強(qiáng)軸向流與徑向流。

在無(wú)擋板的攪拌容器中，攪拌器偏心安裝可以獲得較好的攪拌效果。而在大型油釜中，若采用攪拌器側(cè)面插入安裝方式，通常可獲得較好的釜內(nèi)整體循環(huán)。該場(chǎng)合若采用側(cè)面射流混合方式，也可得到相似的混合效果。

攪拌器內(nèi)進(jìn)行的是三維流動(dòng)，且流動(dòng)具有隨機(jī)性，因而其流動(dòng)狀況非常復(fù)雜：對(duì)這種流動(dòng)的研究方法有兩種，即試驗(yàn)測(cè)量方法與數(shù)值模擬法。

流場(chǎng)的測(cè)量通常采用畢托管法、熱線流速計(jì)法、照相法、激光多普測(cè)速儀法和圖像分析法等測(cè)速技術(shù)，可測(cè)出攪拌器內(nèi)任意點(diǎn)的時(shí)均速度與脈動(dòng)速度。然后以描述湍 流的雷諾方程為基礎(chǔ)，防腐攪拌器，加上不同的方程封閉假定與過(guò)程的簡(jiǎn)化假定，求解雷諾方程?？蓮睦碚撋嫌?jì)算攪拌釜內(nèi)各點(diǎn)的速度：對(duì)釜內(nèi)各點(diǎn)的時(shí)均速度與脈動(dòng)速度數(shù)據(jù)加以處理，可獲得攪拌釜內(nèi)的流型、速度分布、剪切速率分布、能耗速率分布等重要的流體力學(xué)特征量：

流場(chǎng)數(shù)值模擬測(cè)量攪拌器內(nèi)的流場(chǎng)的試驗(yàn)裝置一般都很昂貴，且流場(chǎng)的測(cè)量是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的，故對(duì)于攪拌器往往只能實(shí)驗(yàn)地獲得局部流場(chǎng)信息。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 的進(jìn)步，用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)攪拌器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬的研究越來(lái)越多，從高黏層藏到低黏湍流，從兩維流場(chǎng)到三維流場(chǎng)都開(kāi)展了大量研究計(jì)算。目前，已能對(duì)簡(jiǎn)單的攪拌器和流變行為簡(jiǎn)單的液體所形成的流動(dòng)場(chǎng)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。

黏彈性流體兼有黏性液體與彈性固體的特性，能在變形后呈現(xiàn)彈性恢復(fù)，具有與非依時(shí)性和依時(shí)性這兩類非牛頓流體的黏性效應(yīng)。聚合物熔體和溶液是典型的黏彈性流體，在定態(tài)剪切下表現(xiàn)出前述純黏性非牛頓流體的特性，而當(dāng)剪切發(fā)生變化（包括擴(kuò)大、收縮流和非定態(tài)流動(dòng)）時(shí)則表現(xiàn)出彈性。黏彈性流體具有以下特異流動(dòng)行為。

(1)爬桿效應(yīng)（Weissenberg效應(yīng)），用攪拌器攪拌黏彈性流體時(shí)，轉(zhuǎn)軸處的液面沿軸上升，離軸較遠(yuǎn)處的液面下降。這一行為與牛頓流體正好相反。為此在設(shè)計(jì)流體黏彈性較強(qiáng)的攪拌器時(shí)，包頭攪拌器，應(yīng)選擇合適的攪拌器。否則，會(huì)因爬桿效應(yīng)使流體全部包裹在攪拌器上，不銹鋼攪拌器，與攪拌軸同步旋轉(zhuǎn)，從而使混合和傳熱等過(guò)程均不能正常進(jìn)行。

(2)膨脹效應(yīng)（Barus效應(yīng)），黏彈性流體從圓管或小孔中流出時(shí)有射流膨脹現(xiàn)象，此時(shí)流出液的大直徑dmax可達(dá)圓管內(nèi)徑d的2～3倍。黏彈性流體的膨脹程度與所流經(jīng)的圓管長(zhǎng)度有關(guān)，圓管越長(zhǎng)，膨脹程度越小；而當(dāng)圓管充分長(zhǎng)時(shí)，膨脹比B (B=dmax/d)會(huì)達(dá)到一定值。膨脹比在聚合物加工中是一重要現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量膨脹比可獲得法向應(yīng)力差的信息。

(3)記憶現(xiàn)象（又稱彈性滯后），施加壓力梯度使黏彈性流體在管內(nèi)流動(dòng)；當(dāng)突然移去壓力梯度，黏彈性流體將反向移動(dòng)一段距離后才停止。

(4)反向次流，在液體中插入一旋轉(zhuǎn)圓盤，形成的主流是切向流，同時(shí)在轉(zhuǎn)盤下方形成軸向次流。在牛頓流體中，次流的方向是軸中心處流體向上而四周流體向下；黏彈性流體則相反，軸心處流體向下而容器四周的流體向上運(yùn)動(dòng)。反向次流對(duì)攪拌器的攪拌、傳質(zhì)等操作是一個(gè)重要的影響因素。

與牛頓流體不同，黏彈性流體在描述剪切流動(dòng)行為時(shí)，需要三個(gè)物質(zhì)函數(shù)才能描述，即黏度物質(zhì)函數(shù)、法向應(yīng)力系數(shù)、第二法向應(yīng)力系數(shù)。

目前描述黏彈性流變行為的力學(xué)模型主要有三種：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、線性黏彈性模型和分子模型。

(1)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕獊?lái)自對(duì)流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直接關(guān)聯(lián)。常用的方法是通過(guò)攪拌器運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到：1.切應(yīng)力和切應(yīng)變速率的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，2.法向應(yīng)力差和切應(yīng)變速率的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)確定物質(zhì)函數(shù)。剪切黏度模型仍然可以出現(xiàn)純黏性流體模型中述及的各種形式；法向應(yīng)力系數(shù)則通常表示成各種形式的y2函數(shù)或與Weissenberg數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(2)線性黏彈性模型，假設(shè)流體的黏彈性可以通過(guò)理想的黏性和彈性“元件”各種線性疊加進(jìn)行描述。

(3)分子模型，這種方法主要出現(xiàn)在對(duì)聚合物溶液體系流變行為的描述，如珠簧鏈模型和啞鈴模型。

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