搅拌槽内多层组合桨流场的分离涡模拟(3)
1.2.1 径流桨
径向流叶轮的叶片在旋转时，对液体产生径向离心力作用，液体由轴向吸入，再沿叶轮的半径方向向槽壁射出，形成强有力的径向循环。Rushton搅拌桨是常见的径向桨。
高殿荣、王益群等人用粒子图像测速技术（PIV）对带有Rushton桨叶的无挡板搅拌槽在叶轮转速为240r/min，雷诺数Re=1527时的流场进行研究。结果表明，所研究的Rushton桨搅拌槽内径向喷射流动沿桨叶垂直方向是非对称的，而是向下方倾斜。在桨叶附近，径向流动速度高。随着流动远离桨叶，径向速度在降低。因此径向喷射流动作用就相当于自由射流，叶轮桨叶喷射出的流体进入周围大量低速运动的流体中，卷吸周围流体，并沿轴向和径向扩散，从而使更多的流体参与混合和反应[5]。
吴莹、闵健等人使用粒子图像测速技术（PIV）对Rushton搅拌桨在全挡板搅拌槽内的流场结构进行了研究。在同一搅拌槽中采用固定雷诺数的放大准则，对比了不同直径的Rushton搅拌桨的速度和湍流动能分布。结果表明Rushton桨叶产生的径向射流沿径向方向是向上方倾斜的，倾斜角度在5°～6°；在排出区，湍流动能沿径向先增加至一峰值后减小；不同桨叶直径的Rushton搅拌桨，无因次化后的速度和湍流动能的大小分布在桨叶附近几乎没有差别．但随着桨叶直径的增大，剪切速率和输入功率减小，射流偏角和排出量增大[6]。
1.2.2 轴流桨
轴流桨分上提式和下压式，有折叶、螺旋面叶等种类。在下压式轴流桨操作中，叶轮产生一个向下的流场，该流场在撞击到搅拌槽底部后变成径向流动，最后在回到涡轮区域前变成向上的流场。轴流式搅拌器以其低能耗、大流量、低剪切及混合时间短等特点在工业过程中被广泛采用。但是轴流桨的剪切能力相对较弱，与径向流叶轮相比局部混合效果较差。
杨敏官等人研究了平底圆筒搅拌槽内轴流桨搅拌槽内轴向速度的分布，采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对轴流式搅拌器主流区的流场进行测量。在不间转速和离底间隙条件下，对挡板前轴向时均速度在径向和轴向的分布进行分析和研究，采用壁面射流理论，建立搅拌槽内壁面射流流动模型，揭示轴向流动特性。结果表明轴向速度沿径向的分布具有相似性；轴向最大速度沿轴向衰减；轴向流边界沿轴向线性扩展[7]。
1.2.3 多层组合桨
单桨对搅拌槽内剪切敏感或高粘体系的搅拌混合有时不是非常理想，在气液两相体系中不能提供足够的气液分散，同时在相等的单位质量功耗下，随着搅拌槽直径的增大，搅拌功耗在容器壁处的作用效果变差，导致容器壁处气液分散效果差，同时也减低了壁面处的传热系数，而这些缺点很大程度地可以通过在大长径比的搅拌槽内安装多层桨得到解决。而且大长径比搅拌釜内安装多层桨还有一个额外的优点：对于相同的体积，多层桨的壁面可以比单层桨的容器壁做得更薄，从而有利于高压操作。同时长径比增大，单位体积的传热面积也会提高[8]。
常用的组合桨有双层组合桨和三层组合桨。但是目前的大量研究仍局限于双层搅拌桨，对三层或者三层以上搅拌桨的研究比较少，并且多数研究仅是针对同一种桨的多层操作而言，而对往往为实际工业过程所需的由不同桨型构成的多层组合桨的特性研究较少。现代化的生产对搅拌混合技术提出了更高更好的要求，针对不同工况必须采用不同的组合桨型式为混合过程提供所需的能量和适宜流场[9～10]。
如图1-1所示，常见的组合桨形式有径向流组合桨、轴向流组合桨和混合流组合桨。
多层桨搅拌釜内有一个共同的特征，即分区现象，分区现象一般是指多层桨中各个单桨所产生的流型在相互接触处轴向平均速度为零。当采用双层桨时，一般认为釜内有两个分区，由于平均轴向速度为零。造成区与区之问的传递(包括质量、动量和能量)较为困难。
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