收稿日期:２０２０Ｇ０９Ｇ２７.
作者简介：胡纪全，男,２０１７年毕业于青岛科技大学机械工程专业，硕士，主要从事油品调和设备与工艺技术的管理工作，工程师，已发表论文２０余篇，获授权专利１０余项.
E m a i l :h u j i q u a n q d k j
＠１２６．c o m .基于F L U E N T 对S W X 型静态 胡纪全，李志富，谢丹林
(中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏南京２１００３３
)㊀㊀摘㊀要：通过P r o /E 软件进行S WX 型静态混合器结构和流体模型的三维建模，并基于A N S Y S W o r k Ｇb e n c h 下的F L U E N T 模块进行研究分析，采用标准的κＧε数学模型对在湍流状态下的静态混合器进行流场㊁ 速度场㊁压力场和传热特性的数值模拟，研究静态混合器内流体的流动特性和混合机理.结果表明：流体
沿轴向流动时由于混合单元的存在，使得均为匀速的流体出现了速度的分化，流体的轴向最大流速约为径向流速的１．３倍㊁周向流速的１．７倍，说明流体受到混合单元的阻扰产生径向和周向运动，使流体不断进行分散㊁分割和重组等形式的变化，而流体经过第３㊁４个混合单元后基本达到稳定状态，流速区域的分割也相对稳定；另外，流体流量的高低以及混合单元组的数量直接影响到混合器内压降的大小；最后，通过对比分析证实了静态混合器具有较强的传热特性，为S WX 型静态混合器的应用㊁设计㊁安装提供了参考依据. 关键词::P r o /E ㊀S WX 型静态混合器㊀A N S Y S W o r k b e n c h ㊀F L U E N T㊀流动特性㊀混合机理
d o i :１０．３９６９/j
．i s s n ．１００６－８８０５．２０２１．０１．００３㊀㊀静态混合器是一种没有运动部件的混合设
备，是解决混合㊁乳化㊁反应等过程的理想设备，其工作原理是依靠内部的特殊结构(混合单元)和流体的运动，使互不相溶的流体通过各自分散㊁剪切㊁重新定向等方式进行混合，以达到良好的混合
效果，近年来在石油化工领域得到广泛应用ʌ
１
ɔ.J i l d e r tE ．V i s s e r 团队于１９９９年通过研究混合器
内部的板片数量对于流动特性的影响，得出了
S M X 型静态混合器内部板片数量为４片时综合特
性较好的结论ʌ２
ɔ.L i uSP 团队于２００６年对S M X 型静态混合器在层流状态下非牛顿流体的流动及混合特性进行了研究，得出粘度的大小影响静态
混合器的混合效果的结论ʌ
３ɔ
.S WX 型静态混合器内部混合单元的结构特点采用实验研究方法较为困难，随着有限元和流体力学的推进，通过计算流体动力学方法(C F D )来研究流体在静态混合器内部的流动过程和混合机理成为目前较为常用的方法之一.A N S Y S W o r k b e n c h 下的F L U E N T 模块是目前较为常用的C F D 软件，在A N S Y S奥林匹克
W o r k b e n c h 环境下可以读入多种C A D /C A E 软件的结构模型，并可以与三维软件建立无缝连接,
最大程度地确保模型的准确性，其功能较强大，划
分的网格易于收敛，且具有自适应功能ʌ
４ɔ.金陵分公司柴油管道在线质量调和系统目前主要用于调和３种品质的柴油，分别为轻质燃料油㊁国Ⅵ柴油和出口柴油，其调和组分主要有
４个，分别为Ⅲ柴油加氢柴油㊁Ⅳ柴油加氢柴油㊁
Ⅰ加氢裂化柴油㊁Ⅱ加氢裂化柴油.各组分柴油及参与调和的添加剂(抗静电剂㊁抗磨剂㊁十六烷值剂)经过调和泵流量计㊁流量调节阀和止回阀后进入静态混合器，并在混合器内充分混合.调和好的成品油连续送往出厂油罐，经质检中心化验分析合格后才能够出厂.
由此可以看出，混合器在调和系统中对于调节油品质量起到关键性作用.储运部成品工区通过长期使用在线调和系统发现，调和后的成品油有时也会出现密度分层或者混合效果未满足质量要求的情况.因此，研究混合器的混合机理㊁寻求其内在的规律是十分有必要的.为给后期的设备改造和工艺优化做准备，同时也为S WX 型混合器在石油化工领域的应用㊁设计和安装提供参考
静设备㊀㊀㊀㊀
抗弯刚度石油化工设备技术,２０２１,４２(１) １１
P e t r o c h e m i c a l E q u i p m e n tT e c h n o l o g y
依据，本文从设备的角度入手，通过F L U E N T 软件对静态混合器在湍流状态下的流体进行数值模拟分析，研究流体在混合器内部的流动特性㊁速度场特性㊁压力特性㊁传热特性，并得出一系列结论.１㊀模型的建立
金陵分公司储运部成品工区柴油调和系统中的混合器为南通市旺达石化工程股份有限公司生产的 S WX ４００Ｇ２．５Ｇ３０００A Bred169
型号的混合器.本文采用P r o /E 软件对静态混合器按照与实物
１ʒ１的比例进行三维实体建模.该混合器主要由７组混合单元和套筒等组成，每组混合单元的长度与管道直径相同，为４００mm ，由２４个厚度为３mm 的板片组成，每个板片的安装与管道轴线成４５ʎ夹角；后一组混合单元的安装相对于前一组旋转９０ʎ.静态混合器的结构见图１(a )~图１(b
)
.图１㊀静态混合器结构
１．１㊀物理模型
采用P r o /E 软件对S WX 型静态混合器的混
合单元及流体结构建立物理模型，并通过P r o /E 软件与A N S Y S 软件中的A N S Y S W o r k b e n c h 建立无缝连接，不需要转化为中间格式即可将流体结构模型直接导入A N S Y S 软件中的F L U E N T
模块下进行分析设置.流体模型见图２
.
图２㊀流体模型
１．２㊀数学模型
采用标准的κＧε模型对在湍流状态下的S WX 型静态混合器进行流场㊁速度场㊁压力场和传热分析.标准κＧε模型是工程应用中最为广泛的湍流模型之一，具有结构简单㊁求解稳定且精确度高的特点.采用标准的κＧε模型，静态混合器内流体的流动与传热特性等应满足连续性方程㊁动量守恒和能量守恒３个基本的数学方程.对于不可压缩的牛顿流体，数学方程可简化为以下形
式ʌ
５
ɔ:∂(ρv x )∂x ＋∂(ρv y )∂y
＋∂(ρ
v z )∂z ＝０∂ρv x ∂t ＋∂(ρv x v x )∂x ＋∂(ρv y v x )∂y ＋∂(ρv z v x )∂z ＝ρg x －∂p ∂x ＋R x ＋∂∂x μe ∂v x ∂x æèçöø÷＋∂∂y μe ∂v x ∂y æèçöø÷＋∂∂
z μe ∂v x ∂z æèçöø÷＋S x ∂ρv y ∂t ＋∂(ρv x v y )∂x ＋∂(ρv y v y )∂y ＋∂(ρv z v y )∂z ＝ρg y －∂p ∂y ＋R y ＋∂∂x μe ∂v y ∂x æèçöø÷＋∂∂y μe ∂v y ∂y æèçöø÷＋∂∂z μe ∂v y ∂z æèçöø÷＋S y ∂ρv z ∂t ＋∂(ρv x v z )∂x ＋∂(ρv y v z )∂y ＋∂(ρv z v z )∂z ＝ρg z －∂p ∂z ＋R z ＋∂∂x μe ∂v z ∂x æèçöø÷＋∂∂y μe ∂v z ∂y æèçöø÷＋∂∂z μe ∂v z ∂z æèçöø÷＋S z ㊀∂(ρC p T )∂t ＋∂(ρv x C p T )∂x ＋∂(ρv y C p T )∂y
＋∂(ρv z C p T )∂z ＝
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
∂∂x k ∂T ∂x æèçöø÷＋∂∂y k ∂T ∂y æèçöø÷＋∂∂z k ∂T ∂z æèçöø÷＋W v ＋E k ＋Q v ＋ϕ＋∂p ∂t ㊀㊀其中,ρ为流体的密度;v x ㊁v y ㊁v z 分别是x ㊁y ㊁z 方向上的速度矢量;p 是流体微元体上的压
力;t 为时间;g x ㊁g y ㊁g z 是重力产生的加速度分量;μe 是有效粘度;R x ㊁R y ㊁R z 为阻力;S x ㊁S y ㊁S z 为粘性损失项;T 为温度;C p 为比热容;
k 为导热系数;W v 为粘性功;Q v 为体积热源;E k 为动能;
ϕ为粘性生热项.
１．３㊀网格划分通过A N S Y S W o r k b e n c h 自带的前处理功
能进行静态混合器内流体模型的网格划分(见图３).模型采用四面体网格，网格质量平均值达到０．６２.考虑到既能反映S WX 型静态混合器中流体在湍流状态下流动的具体特征，又能够获得更高质量的网格，采用协调分片算法进行网格划
２１ 石㊀油㊀化㊀工㊀设㊀备㊀技㊀术
２０２１年㊀
分，网格数量达到７．４万个
阿拓莫兰
.
图３㊀流体模型网格划分
１．４㊀边界条件
流体的进口边界条件为流量入口，出口边界条件为自由出口，管壁和混合单元每个板片壁面的边界条件均采用无滑移壁面；混合器内部的流
体介质采用水，流体设置为粘性的㊁不可压缩的流体.本次模拟采用标准的κＧε模型，并采用压力基求解器和S I M P L E 算法进行求解，计算收敛为残差小于１０－６，求解器中的主要参数㊁动量等均采用二阶迎风格式，相对于其他求解器求解稳定
性更好.２㊀模拟结果分析
２．１㊀流动特性
入口流量Q 为１０００m ３/h 时,
静态混合器沿轴向在各个不同截面上的速度等值线分布见图４(a )~图４(d
)
.图４㊀静态混合器各截面上的速度等值线
㊀㊀由图４(a )~图４(d
)可以看出：由于静态混合器内部７组混合单元的存在，流体不断进行剪切㊁分割㊁旋转㊁分离和重组运动，导致初始速度均为２．２m /s 的流体经过混合单元后出现了速度的分化，速度分布越来越不均匀，这有助于流体介质之间的充分混合.
由图４(a
)可知：流体在入口位置还没有流进第１组混合单元时，由于受到混合单元板片的阻碍，最大流速相对其他截面位置低一些，但此时流体的速度并没有出现分化，分布相对较均匀.经
过第１组混合单元后，流体达到图４(b )的状态，出现了速度分化，在混合单元板片的作用下，整个流体被分割为多个区域，区域内的流体呈旋转式流动.流体经过第２组混合单元后，其流动达到图４(c )的状态，由于第２组混合单元相对第１组混合单元旋转了９０ʎ，因此会导致流体状态整体发生较大变化，分割㊁分离的流体区域进行重组㊁
重定向，其流速进行重新分化，更好地促进流体介质的混合；流体经过７组混合单元，即对流体进行了７次分割㊁分离㊁重组以及速度的分化.由
３１ ㊀第４２卷第１期胡纪全等．基于F L U E N T 对S WX 型静态混合器的研究分析
图４(d)可以看出：流体经过７组混合单元后，其流动状态由局部分割区域渐变为整体的层流流动，速度分化逐渐终止，最后流出混合器，达到良好的混合效果.
２．２㊀速度场特性
入口流量Q为１０００m３/h时，流体沿轴向和径向方向某一截面的速度矢量如图５(a)~图５(b)所示，沿静态混合器轴向混合单元中截面的径向速度云图如图６(a)~图６(d)所示㊁周向速度云图如图７(a)~图７(d)所示㊁轴向速度云图如图８(a) ~图８(d)所示，图６~图８中的(a)㊁(b)㊁(c)㊁(d)分别表示第１㊁３㊁５㊁７组混合单元的中截面
.
图５㊀
流体的速度矢量
图６㊀混合单元中截面的径向速度云图
㊀㊀由图５(a)~图５(b)可以看出：流体在沿轴向
方向流动时，受到混合单元板片的阻碍，产生径向monster cable
和周向运动.由图６(a)~图６(d)㊁图７(a)~图７
(d)和图８(a)~图８(d)可知：每个截面均被分割
为多个速度区域，每个区域的流速不同，而靠近壁硅溶胶
面的位置，流速最小；另外，径向㊁周向和轴向速度
区域大体上相对于其轴线呈对称分布，只是速度
数值大小不同.
４１ 石㊀油㊀化㊀工㊀设㊀备㊀技㊀术２０２１年㊀
图７㊀
混合单元中截面的周向速度云图
图８㊀混合单元中截面的轴向速度云图
５１ ㊀第４２卷第１期胡纪全等．基于F L U E N T 对S WX 型静态混合器的研究分析
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