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淺析潛水攪拌器的流場特點 （一）
閱讀：2656發布時間：2020-1-7
從外形上看，潛水攪拌器的葉輪和水泵以及船舶的螺旋槳很是相似，那是因為潛水攪拌器槳葉（葉輪）的設計確實是參考了水泵葉輪和船舶的螺旋槳運行原理，那么是否說明潛水攪拌器在運行時的流場特點和它們是一樣的呢？答案是否定的，因為潛水攪拌器的運行環境與水泵和螺旋槳的工作環境是*不同的。水泵內液體被泵腔控制，沿著管路和葉片流道流動；螺旋槳則安裝在船底，在江河大海里運行，隨著船體移動的，河海面積寬廣，除了水面并無其他邊界的束縛。而潛水攪拌器安裝在水池里，自身不移動，同時受到水池池壁邊界的控制，這個邊界比起泵腔管路要大得多，但比起河海的岸堤要小得多。所以潛水攪拌器運行時，其所在水池內液體流態與水泵和螺旋槳具有很多的不同特性。本文將著重分析潛水攪拌器的射流特點。
*，潛水攪拌器的葉輪以一定的轉速旋轉，液體從葉輪出口高速射入水池內其他液體，屬于射流。這種射流不僅具有軸向速度和徑向速度，還具有一定的切向速度（旋轉速度）。旋轉速度使徑向、軸向產生壓力梯度并影響到整個流場，因此射流也稱為旋動射流。旋動射流是自由射流加旋轉的一種復合流動，其流動情形較為復雜，大多處于湍流狀態。旋動射流射出后，在周圍環境液體內擴展快，卷吸能力、摻混作用、軸線速度的衰減均比普通射流大。
如果射流進入一個有限的空間，射流運動會受到空間邊界的限制，成為非自由射流。潛水攪拌器在水池內運行，也就是在一個有限空間里作業，液體運動受到水池壁面與水池池底等固體邊界的限制，所以可以確定旋動射流為非自由旋動射流。
潛水攪拌器葉輪射出的水體射入水中，因此又屬于淹沒自由射流。動量射流是指射流的出流速度較高，它依靠射出時的初始動量來維持自身運動，所以動量對它的流動起支配作用。
由數值模擬速度流場圖，可明顯觀察到潛水攪拌器攪拌的液體具有以下幾個特點：
(1）從潛水攪拌器葉輪射出的液體高速邊界層長度遠大于射流的寬度；
(2）在射流邊界層的任何斷面上，軸向速度遠大于徑向速度；
(3）射流高速邊界層的邊界可做直線處理；
(4）射流各斷面上的軸向流速與徑向流速具有相似性。
以上幾個特點與湍流射流的特點基本一致，所以射流也是湍流射流。
由潛水攪拌器在水池內的安裝位置可知，潛水攪拌器一般靠近池面安裝，潛水攪拌器機軸與池底的距離一般等于葉輪直徑加400mm，非對稱地安裝在窄邊上，一般安裝在3:4的位置上。這樣使得池內的液體較好地循環，池內懸浮物才不會沉淀，化學反應才會充分進行。由于從葉輪射出的射流進入到一個有限空間，且潛水攪拌器的這種非對稱安裝，導致射流受到固體邊界條件限制，又屬于淹沒非自由射流。
在水池內，從葉輪射出的射流射入水池，在卷吸能力和滲混作用下，帶動周圍的液體運動，同時與距離較近的側壁和安裝壁面的對面壁發生碰撞，故其流場又具有紊動沖擊射流的特點，并具有徑向壁面射流的部分特性。
由以上分析可知，潛水攪拌器高速旋轉攪拌的水池內液體流態很復雜，其液體屬于淹沒非自由湍流圓斷面旋動射流，徑向壁面射流，并在水池池壁的作用下，又發生了沖擊射流現象，使整池內液體形成循環，達到了攪拌要求。
很多業內學者曾對圓形、平面紊動沖擊射流的流動特性進行過研究，如TaniKor-natsu(1964年)、Cola(1965年)、Wolfshtein(1970年)、Donaldson和 Snedeker(1971年）、Bradbury(1972年）、Beltaos和Rajaratnam (1973年）以及Gutmark、Wolfshtein 和Wygnanski (1978年）等。研究結果表明，沖擊射流可分成三個明顯的流動區域： 自由射流區I區、沖擊區II區、壁面射流區VIII區。圖1與圖2所示分別為水池內垂直于池底和平行于池底的軸向流域內液體流動示意圖。在潛水攪拌器與池壁的作用下，水池內流域被分為若干區域，其中，比較明顯且所占面積較大的區域有以下八個區域：自由射流區；與池壁C沖擊區；與池底沖擊區；與池面沖擊區；池底壁面射流區；與池壁C徑向壁面射流區；與池面徑向壁面射流區。
圖1 垂直于池底的軸向流域內液體流動示意圖
I．自由射流區；II．與池壁C沖擊區；III、IV．與池底沖擊區；V.與池面沖擊區；VI．池底壁面射流區；Ⅶ．與池面、池壁C沖擊的混合過渡區；Ⅷ．與池壁C徑向壁面射流區；Ⅸ．與池面徑向壁面射流區
圖2 水池內平行于池底的軸向流域內液體流動示意圖
Ⅰ.自由射流區；II．與池壁C沖擊區；Ⅲ、Ⅳ．與池底沖擊區；V．與池面沖擊區；Ⅵ．池底壁面射流區；Ⅶ．與池壁b、池壁C沖擊的混合過渡區；Ⅷ．與池壁C徑向壁面射流區；IX．與池面徑向壁面射流區
圖3（a）所示為水池內部液體的三維流線圖，圖3 (b）所示為液體被吸入到葉輪進口的液體流線示意圖。潛水攪拌器葉輪附近的液體要遠遠高出水池內其他位置上的液體，這是由于液體經由葉輪獲得較大動能后，形成圓形動量射流，射流射入池內的靜止液體中，由于湍流的脈動，卷吸周圍靜止液體進入射流，兩者混滲向前運動，從而增加了射流的流量，也加寬了射流的寬度，降低了射流的速度。水池內形成了一條狹長的水柱，隨著往前推進距離的增加，池內獲得動能的液體越來越多。葉輪后面的液體*地被葉輪吸入，獲得動能，在水池池壁的作用下， 水流與池壁碰撞，又發生了回流，自此，整池的液體均被帶動起來，在池內液體形成了大循環并充分混合。由圖3可知，池內流動軸向推進，徑向擴散，液體循環明顯，存在多個較大尺寸的旋渦。
圖3 全流場流線圖與葉輪進口液體流線圖
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