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浅析潜水搅拌器的流场特点 （一）
阅读：2356发布时间：2020-1-7
从外形上看，潜水搅拌器的叶轮和水泵以及船舶的螺旋桨很是相似，那是因为潜水搅拌器桨叶（叶轮）的设计确实是参考了水泵叶轮和船舶的螺旋桨运行原理，那么是否说明潜水搅拌器在运行时的流场特点和它们是一样的呢？答案是否定的，因为潜水搅拌器的运行环境与水泵和螺旋桨的工作环境是*不同的。水泵内液体被泵腔控制，沿着管路和叶片流道流动；螺旋桨则安装在船底，在江河大海里运行，随着船体移动的，河海面积宽广，除了水面并无其他边界的束缚。而潜水搅拌器安装在水池里，自身不移动，同时受到水池池壁边界的控制，这个边界比起泵腔管路要大得多，但比起河海的岸堤要小得多。所以潜水搅拌器运行时，其所在水池内液体流态与水泵和螺旋桨具有很多的不同特性。本文将着重分析潜水搅拌器的射流特点。
*，潜水搅拌器的叶轮以一定的转速旋转，液体从叶轮出口高速射入水池内其他液体，属于射流。这种射流不仅具有轴向速度和径向速度，还具有一定的切向速度（旋转速度）。旋转速度使径向、轴向产生压力梯度并影响到整个流场，因此射流也称为旋动射流。旋动射流是自由射流加旋转的一种复合流动，其流动情形较为复杂，大多处于湍流状态。旋动射流射出后，在周围环境液体内扩展快，卷吸能力、掺混作用、轴线速度的衰减均比普通射流大。
如果射流进入一个有限的空间，射流运动会受到空间边界的限制，成为非自由射流。潜水搅拌器在水池内运行，也就是在一个有限空间里作业，液体运动受到水池壁面与水池池底等固体边界的限制，所以可以确定旋动射流为非自由旋动射流。
潜水搅拌器叶轮射出的水体射入水中，因此又属于淹没自由射流。动量射流是指射流的出流速度较高，它依靠射出时的初始动量来维持自身运动，所以动量对它的流动起支配作用。
由数值模拟速度流场图，可明显观察到潜水搅拌器搅拌的液体具有以下几个特点：
(1）从潜水搅拌器叶轮射出的液体高速边界层长度远大于射流的宽度；
(2）在射流边界层的任何断面上，轴向速度远大于径向速度；
(3）射流高速边界层的边界可做直线处理；
(4）射流各断面上的轴向流速与径向流速具有相似性。
以上几个特点与湍流射流的特点基本一致，所以射流也是湍流射流。
由潜水搅拌器在水池内的安装位置可知，潜水搅拌器一般靠近池面安装，潜水搅拌器机轴与池底的距离一般等于叶轮直径加400mm，非对称地安装在窄边上，一般安装在3:4的位置上。这样使得池内的液体较好地循环，池内悬浮物才不会沉淀，化学反应才会充分进行。由于从叶轮射出的射流进入到一个有限空间，且潜水搅拌器的这种非对称安装，导致射流受到固体边界条件限制，又属于淹没非自由射流。
在水池内，从叶轮射出的射流射入水池，在卷吸能力和渗混作用下，带动周围的液体运动，同时与距离较近的侧壁和安装壁面的对面壁发生碰撞，故其流场又具有紊动冲击射流的特点，并具有径向壁面射流的部分特性。
由以上分析可知，潜水搅拌器高速旋转搅拌的水池内液体流态很复杂，其液体属于淹没非自由湍流圆断面旋动射流，径向壁面射流，并在水池池壁的作用下，又发生了冲击射流现象，使整池内液体形成循环，达到了搅拌要求。
很多业内学者曾对圆形、平面紊动冲击射流的流动特性进行过研究，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。研究结果表明，冲击射流可分成三个明显的流动区域： 自由射流区I区、冲击区II区、壁面射流区VIII区。图1与图2所示分别为水池内垂直于池底和平行于池底的轴向流域内液体流动示意图。在潜水搅拌器与池壁的作用下，水池内流域被分为若干区域，其中，比较明显且所占面积较大的区域有以下八个区域：自由射流区；与池壁C冲击区；与池底冲击区；与池面冲击区；池底壁面射流区；与池壁C径向壁面射流区；与池面径向壁面射流区。
图1 垂直于池底的轴向流域内液体流动示意图
I．自由射流区；II．与池壁C冲击区；III、IV．与池底冲击区；V.与池面冲击区；VI．池底壁面射流区；Ⅶ．与池面、池壁C冲击的混合过渡区；Ⅷ．与池壁C径向壁面射流区；Ⅸ．与池面径向壁面射流区
图2 水池内平行于池底的轴向流域内液体流动示意图
Ⅰ.自由射流区；II．与池壁C冲击区；Ⅲ、Ⅳ．与池底冲击区；V．与池面冲击区；Ⅵ．池底壁面射流区；Ⅶ．与池壁b、池壁C冲击的混合过渡区；Ⅷ．与池壁C径向壁面射流区；IX．与池面径向壁面射流区
图3（a）所示为水池内部液体的三维流线图，图3 (b）所示为液体被吸入到叶轮进口的液体流线示意图。潜水搅拌器叶轮附近的液体要远远高出水池内其他位置上的液体，这是由于液体经由叶轮获得较大动能后，形成圆形动量射流，射流射入池内的静止液体中，由于湍流的脉动，卷吸周围静止液体进入射流，两者混渗向前运动，从而增加了射流的流量，也加宽了射流的宽度，降低了射流的速度。水池内形成了一条狭长的水柱，随着往前推进距离的增加，池内获得动能的液体越来越多。叶轮后面的液体*地被叶轮吸入，获得动能，在水池池壁的作用下， 水流与池壁碰撞，又发生了回流，自此，整池的液体均被带动起来，在池内液体形成了大循环并充分混合。由图3可知，池内流动轴向推进，径向扩散，液体循环明显，存在多个较大尺寸的旋涡。
图3 全流场流线图与叶轮进口液体流线图
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