CN110559900B - 一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，包括掺混腔及连通掺混腔的多通道多方向进口；其中，所述掺混腔内布置有非对称叶栅结构，且掺混腔的出口依次连通有一级突然收缩段、二级突然收缩段。本发明充分利用多通道、多方向的来流条件，掺混气由两股增至多股，工程应用更为广泛；掺混腔内加入非对称叶栅结构，增大气流腔内湍流强度，加大多股气流间传质传热能力；由两级突然收缩段进行整流，快速在短距离内降低湍流度，得到均匀混合的流体，避免掺混后气流湍流度过大和速度分布不均而引起后续工作故障，从而满足多股气流同步、短距离、紧凑空间内达到良好混合的使用要求。

Description

一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器

技术领域

本发明涉及一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，属于流体动力学掺混技术领域。

背景技术

现有的工业混合器是把两股压力、温度、速度不同的气流加以混合的装置。这种两股气流的混合是湍流之间的掺混。湍流的特征是有横向(垂直气流方向)的气体微团脉动，所以在两股气体射流边界的表面上有气体微团的相互交换。射流沿着流程把两股气体的速度、温度和压力梯度逐渐拉平，当到达混合器出口时，如参数完全拉平则称为完全混合，如尚未完全拉平则称为不完全混合。工业混合器的形式多种多样，有管道混合器、汽水混合器、旋涡混合器、气液混合器、静态混合器等，均为两股气流达到均匀掺混的功用。而多股气流同步、短距离、紧凑空间内达到良好混合的要求，对混合器的设计提出了更大的挑战。

本发明充分利用多通道、多方向的来流条件，掺混气由两股增至多股，工程应用更为广泛；掺混腔内加入非对称叶栅结构，增大气流腔内湍流强度，加大多股气流间传质传热能力；由两级突然收缩段进行整流，快速在短距离内降低湍流度，得到均匀混合的流体，避免掺混后气流湍流度过大和速度分布不均而引起后续工作故障。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，能够实现多股不同压力、不同温度、不同速度的气流充分混合，从而满足多股气流同步、短距离、紧凑空间内达到良好混合的使用要求。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，包括掺混腔及连通掺混腔的多通道多方向进口；

其中，所述掺混腔内布置有非对称叶栅结构(其非对称性体现在俯仰方向无与之对称布置的叶栅且相邻叶栅俯仰错落布置)，且掺混腔的出口依次连通有一级突然收缩段、二级突然收缩段。

进一步的，所述多通道多方向进口包括单表面单进口及单表面多进口两种形式，单表面单进口选取掺混腔表面的中心位置安装，单表面多进口则采用对称均布结构安装。

进一步的，多通道多方向进口的分布直接影响掺混腔内部非对称叶栅的安装位置，所述非对称叶栅结构安装在单表面单进口的正对位置及单表面多进口的对称中心位置。

进一步的，所述非对称叶栅的单片尺寸直接影响总压损失及掺混效果，单片叶栅宽度为0.1-0.25倍的掺混腔单边边长，单片叶栅长度为0.25-0.4倍的掺混腔单边边长。

进一步的，非对称叶栅与水平方向的俯仰角度取决于多通道多方向进口的分布及总压损失限值，为保证良好的混合性能，每片非对称叶栅与水平方向的俯仰角度范围为15°-30°。

进一步的，所述一级突然收缩段、二级突然收缩段的两级突然收缩比范围为1.5-2.5。

有益效果：本发明提供的一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，相对于现有技术，具有以下优点：

(1)具有多通道、多方向来流同时混合能力，将常规单侧、两通道进口模式增至多方向、多通道进口模式，并且充分利用多方向进气时入射流对冲的作用，为掺混提供湍流基础；

(2)掺混腔内加入非对称叶栅结构，加大气流湍流强度，湍流强度的增大加剧气流表面微团的相互交换，使多股入射流在腔内迅速、剧烈掺混，提高掺混效率；

(3)掺混腔内湍流脉动大，需要整流结构在短距离内高效稳流，本发明通过两级突然收缩段的匹配使用实现紧凑空间内的高效整流，快速在短距离内降低湍流度，得到均匀混合的流体，避免掺混后气流湍流度过大和速度分布不均而引起后续工作故障。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的二维示意图；

图3为本发明实施例在顶侧进口工作时的速度等值线图；

图4为本发明实施例在左侧进口工作时的速度等值线图；

图5为本发明实施例在顶侧进口工作时的湍动能等值线图；

图6为本发明实施例在左侧进口工作时的湍动能等值线图；

图中包括：1、多通道多方向进口，2、掺混腔，3、非对称叶栅结构，4、一级突然收缩段，5、二级突然收缩段。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示为一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，包括掺混腔2及连通掺混腔2的多通道多方向进口1；

其中，所述掺混腔2内布置有非对称叶栅结构3(其非对称性体现在俯仰方向无与之对称布置的叶栅且相邻叶栅俯仰错落布置)，且掺混腔2的出口依次连通有一级突然收缩段4、二级突然收缩段5。

本实施例中，所述多通道多方向进口1包括掺混腔2顶侧的单表面单进口和掺混腔2左侧的单表面双进口，且单表面单进口选取掺混腔2表面的中心位置安装，单表面多进口则采用对称均布结构安装。

所述非对称叶栅结构3的单片叶栅尺寸包括：单片叶栅宽度为0.1-0.25倍的掺混腔(2)单边边长，单片叶栅长度为0.25-0.4倍的掺混腔(2)单边边长；为保证良好的混合性能，每片非对称叶栅与水平方向的俯仰角度范围为15°-30°。单片叶栅尺寸、水平方向的俯仰角度与流动损失相关紧密，且直接影响掺混性能，主要取决于多通道多方向进口1的安装位置以及总压损失限值。

所述一级突然收缩段4、二级突然收缩段5联合使用过程中，两级突然收缩比范围为1.5-2.5，且两级突然收缩段的长度要大于突然收缩后流动充分发展的长度，保证流动的稳定性。两级突然收缩段短距离内发挥高效的稳流作用，首先需要合理选取突然收缩段级间的横截面积之比，然后计算每级突然收缩段所需的长度，最终确定两级突然收缩段的尺寸。

本发明中，多通道多方向进口的当量直径和与之连接掺混腔表面的当量直径决定了气流进入掺混腔的扩张比，扩张比一般选为0.3-0.8。

本实施例是带有非对称叶栅结构的高效、紧凑型混合器的一个应用，在多通道、多方向的来流条件下，充分利用射流相互冲击过程作为湍流基础，引入非对称叶栅结构增大湍流强度，加强掺混，继而通过两级突然收缩段，快速高效稳定流动。

为验证本发明中带有非对称叶栅结构的高效、紧凑型混合器的性能，通过CFD建模进行数值模拟冷态流场的计算，实施例的验证结果如下：

1、带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器的冷态流场速度等值线图

为模拟混合器出口速度达到50m/s工况条件，带有非对称叶栅结构的高效、紧凑型混合器顶侧进口打开、左侧进口关闭时速度等值线图，如图3所示，掺混腔内速度分布极为不均，经过一级突然收缩段后有所改善，经过二级突然收缩段后速度分布几近均匀；带有非对称叶栅结构的高效、紧凑型混合器顶左侧进口打开、顶侧进口关闭时速度等值线图，如图4所示，掺混腔及一级突然收缩段的速度落差较大区域主要集中在叶栅后方及突然收缩面，经过两级收缩段的整流后恢复均匀流动。

2、带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器的冷态流场湍动能等值线图

带有非对称叶栅结构的高效、紧凑型混合器顶侧进口工作时湍动能等值线图，如图5所示，带有非对称叶栅结构的高效、紧凑型混合器左侧进口工作时湍动能等值线图，如图6所示，两种不同进口条件下的模型，均在进入掺混腔时的突然扩张和非对称叶栅结构的作用下明显增大湍流动能，为腔内良好掺混提供有利条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，其特征在于，包括掺混腔（2）及连通掺混腔（2）的多通道多方向进口（1）；

其中，所述掺混腔（2）内布置有非对称叶栅结构（3），且掺混腔（2）的出口依次连通有一级突然收缩段（4）、二级突然收缩段（5）；

所述多通道多方向进口（1）包括单表面单进口及单表面多进口两种形式，单表面单进口选取掺混腔（2）表面的中心位置安装，单表面多进口则采用对称均布结构安装；

所述非对称叶栅结构（3）安装在单表面单进口的正对位置及单表面多进口的对称中心位置；

所述非对称叶栅结构（3）中，单片叶栅宽度为0.1-0.25倍的掺混腔（2）单边边长，单片叶栅长度为0.25-0.4倍的掺混腔（2）单边边长；

所述非对称叶栅结构（3）与水平方向的俯仰角度范围为15°-30°。

2.根据权利要求1所述一种带有非对称叶栅结构的高效紧凑型混合器，其特征在于，所述一级突然收缩段（4）、二级突然收缩段（5）的两级突然收缩比范围为1.5-2.5。