新型乙醇汽油防静电混合器数值模拟研究*

沈涛 赵会军 吕孝飞 庞海明

(1.常州大学江苏省油气储运技术重点实验室 江苏常州 213164；2.常州大学石油工程学院 江苏常州 213164)

0 引言

目前我国乙醇汽油采用的是管线调配方式，乙醇和其他组分油在混合前通过管输方式分别独立输送至混配器中，然后在混配器中将乙醇和其他组分油按照一定比例进行混合， 最后将充分混合的乙醇油品装入罐车进行外输。由于在调配过程中乙醇汽油形成静电积聚，通过鹤管装车时存在静电放电，导致燃爆事故的可能性有一定程度的增大。根据生产资料统计，静电是引发国内多起乙醇汽油装车过程火灾事故的主要原因[1-2]。

李亮亮等[3]、刘全桢等[4]、于格非[5]、马清鹏等[6]通过对乙醇汽油静电特性的研究发现：由于乙醇的电导率远高于汽油的电导率，乙醇与汽油掺混不充分会使混合油品中存在不均匀的电位层，从而导致混合油品具有一定的潜在静电风险；在乙醇与汽油混合过程中，乙醇分子与汽油分子及混合器管壁之间会产生无规律摩擦，导致静电的产生，并且混合油品的流速、摩擦的剧烈程度以及混合器的材质与产生的静电电压成正相关。

针对静态混合器的流场特征和混合特性已有较多研究[7-9]，但随着生产需求和技术的不断提高，静态混合器的应用范围也在不断拓宽，当下的研究难免存在一定的局限性，尤其是关于乙醇与汽油这两种互溶流体混合过程的研究还较少。本文设计了一种新型乙醇汽油防静电混合器，在混合器内部添加一组螺旋叶片，可以使组分进行充分的掺混。采用组分输运模型和Realizek-ε模型，在湍流条件下模拟乙醇与汽油在新型混合器中和在简单的T型管混合器中的混合，比较混合器中各组分浓度分布、压力分布、速度分布的差异性，研究乙醇与汽油在不同结构混合器中的混合效果，并根据现有的关于静电特性的研究，分析新型乙醇汽油防静电混合器对静电特性的影响。

1 模型建立及网格划分

1.1 物理模型

本文设计了一种带有螺旋叶片(2个叶片按交叉式排列)的新型乙醇汽油防静电混合器，结构如图1(a)所示，汽油入口管径为100 mm，乙醇入口管径为40 mm，螺旋叶片总长为340 mm,混合器总管道长度为576 mm。为探究螺旋叶片与混合器内各组分混合效果的关系，对无叶片的T型管混合器也进行了数值分析，其结构尺寸如图1(b)所示。

(a)新型混合器

1.2 网格划分

采用ICEM对混合器内部流域进行非结构网格划分，并针对叶片周围流域网格进行加密，如图2所示。对网格体积进行检查，其中98%的网格体积高于0.90，基本满足计算精度要求。

(a)新型混合器

2 数学模型及计算

2.1 数学模型

采用组分输运模型模拟混合器内乙醇汽油的流动混合情况，满足连续性方程及动量方程，湍流模型采用Realizek-ε模型。控制方程组具体如下：

连续性方程：

(1)

式中，ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；ui为各方向的速度分量，m/s。

动量方程：

(2)

式中，ρ为流体密度，kg/m3；ui为各方向的速度分量，m/s；p为压力，Pa；fi为单位体积力，N/m3；τxi、τyi、τzi为黏性应力分量，Pa。

组分输运方程：

(3)

式中，ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；i为流体种类；Yi为流体各组分体积分数。

湍流方程：

(4)

(5)

式中，k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率；μ为湍流粘度，Pa·s；σt和σε为湍流普朗特数；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能，J；C1、C1ε、C2ε为常量。

2.2 数值计算方法及边界条件

汽油及乙醇入口均设为速度入口，汽油入口流速为1.2 m/s，乙醇入口流速为0.9 m/s；出口边界条件为压力出口，壁面定义为固壁，满足无滑移条件。汽油密度为730 kg/m3，黏度为0.003 32 Pa·s；乙醇密度为790 kg/m3，黏度为0.001 2 Pa·s。

采用SIMPLE算法进行求解，稳态计算，方程对流项均使用二阶迎风格式离散，近壁处理使用标准壁面函数。

3 计算结果分析及讨论

由于汽油属于低电导率物质，较易产生和积聚静电。而乙醇的电导率远高于汽油的电导率，乙醇和汽油在混合器中掺混越均匀，静电积聚的风险越小。针对无叶片的T型管混合器与加装螺旋叶片的新型混合器进行数值模拟，比较混合器内各截面浓度场、速度场、压力场，讨论乙醇汽油在掺混过程中引发静电的风险，并对新型乙醇汽油防静电混合器的特性进行分析。

3.1 混合器流场特征

T型管混合器内的流线如图3所示。乙醇与汽油从不同入口进入混合器中，由于速度方向及大小不一致，在交叉处(x=0 mm)汇合后，速度发生剧烈变化(两种不同速度流体在交叉口混合后发生动量交换)，如图4所示。由于乙醇汽油粘度较大，其与管壁所产生的摩擦力较大，这也是混合器内部整体呈中间流速快、管壁接触面流速慢现象的原因。在出口处(x=468 mm)速度还未趋于稳定，如图4(b)所示，大大增加了油品静电积聚的风险。

图3 T型管混合器内速度流线

(a) x=0 mm (b) x=468 mm

新型乙醇汽油防静电混合器内的流线如图5所示。可以发现，乙醇与汽油以不同速度分别从不同入口进入混合器时，在叶片附近产生了旋流。整体流域各截面速度分布如图6所示，在乙醇与汽油刚开始混合 (x=0 mm) 时，由于内置螺旋叶片固定在混合器内部管壁上，不会发生位移，所以乙醇及汽油依靠初始动能继续进行流动混合；经过第一组螺旋叶片 (x=190 mm) 时，由于叶片的阻碍，乙醇汽油混合物会被分为两股，绕着叶片的两侧进行方向相反(上下)的旋转混合运动。由于新型乙醇汽油防静电混合器内的螺旋叶片为90°旋转交替呈周期性，且左右螺旋叶片对流体的混合作用相同，当经过第二组螺旋叶片 (x=350 mm) 时，经过第一组螺旋叶片所形成的乙醇汽油混合物再次被切割，同样进行方向相反的旋转运动；到混合器出口处(x=468 mm)时，乙醇汽油的速度基本稳定，且混合器出口截面上速度分布较为均匀。将新型乙醇汽油防静电混合器与T型管混合器的内部流场进行比较，发现新型乙醇汽油防静电混合器内部各组叶片都对流体产生剪切、分割、混合等作用，使得乙醇与汽油混合更加快速、高效。

图5 新型混合器内速度流线

(a)x=0 mm (b) x=190 mm (c) x=350 mm (d) x=468 mm

3.2 浓度分布

T型管混合器内部流体体积分数如图7、图8所示。可以看出，由于混合器内部无旋流结构，乙醇与汽油在混合时存在明显的分层现象，并在出口处仍存在管道上半部汽油体积分数高、下半部汽油体积分数低的现象，如图8(b)所示，混合器出口流体混合不均匀，加大了静电积聚的风险。

图7 T型管混合器xy截面汽油体积分数

新型乙醇汽油防静电混合器内的乙醇汽油体积分数如图9、图10所示。可以看出,在乙醇与汽油接触处有明显的乙醇汽油浓度分布界线，说明两种流体之间没有进行混合；随着乙醇和汽油流动到叶片边缘相遇时，不同流体分子开始交互混合；由于乙醇与汽油在第一个叶片相遇时，两种流体的分子浓度差值最大，因此乙醇与汽油的混合效果最为强烈和明显，并且存在两种流体交错分层的场景；在第二个叶片时，两种流体经过较为充分的混合，不再维持分层现象，并在出口处得到混合充分的流体。在出口处，油品的体积分数趋于一致，得到混合均匀的乙醇汽油，可以有效减少静电积聚。

(a)x=0 mm (b)x=468 mm

图9 新型混合器xy截面汽油体积分数

(a)x=0 mm (b) x=190 mm (c) x=350 mm (d) x=468 mm

3.3 压力分布

新型乙醇汽油防静电混合器与T型管混合器内xy截面压力分布如图11、图12所示。

图11 新型混合器xy截面压力分布

图12 T型管混合器xy截面压力分布

可以看出，新型乙醇汽油防静电混合器在入口处压力最大，流动过程能量损耗，从入口到出口压力逐渐减小，油品入口压力约4 000 Pa，出口压力约-1 000 Pa，压力差约5 000 Pa。相较于T型混合器(入口压力约400 Pa，出口压力约-200 Pa，压力差约600 Pa)，压力损失明显。由此看出，通过增大流体流动方向的阻力和增大新型乙醇汽油防静电混合器内的压力降，可强化混合器内部乙醇与汽油的混合。同时考虑到实际情况，5 000 Pa的压力差远小于一个大气压，新型乙醇汽油防静电混合器的流动状态为湍流且叶片数少，因此整体压力损耗较小，能耗成本较低。

4 结论

对新型乙醇汽油防静电混合器及无叶片T型管混合器的内部流场进行数值分析，获得了乙醇与汽油在不同结构混合器中的混合效果，得出以下结论：

(1)新型混合器中，乙醇、汽油两种流体的流速大小和方向时刻变化，并且两种流体在叶片两侧以不同的方向旋转流动；随着乙醇与汽油的混合流动，最终两种流体速度保持一致且逐渐平稳。由于新型混合器的流动状态为湍流且叶片数少，因此整体压力损耗较小，能耗成本较低。

(2)乙醇汽油在新型混合器中的混合，通过螺旋叶片对流体做反复多次的切割、旋转，使流体充分接触混合，其中第一个叶片对整个强化作用最为显著，之后呈下降趋势；在经过第二个叶片后，乙醇汽油体积分数分布均匀且基本保持不变，乙醇汽油的速度趋于稳定，说明新型混合器对乙醇汽油具有较好的混合效果，可有效降低乙醇汽油静电积聚的风险。