通過以往發(fā)布的潛水?dāng)嚢杵飨嚓P(guān)技術(shù)文章內(nèi)容我們可以了解到，污水處理廠中的潛水?dāng)嚢杵魉谒貎?nèi)的流體是在潛水?dāng)嚢杵髋c水池池壁的共同作用下流動(dòng)的，且流體流動(dòng)態(tài)勢(shì)一般較為復(fù)雜，概括來說會(huì)存在以下三種特別的現(xiàn)象：

1、卷吸現(xiàn)象

流體從葉輪內(nèi)以初始速度u射出后，與周圍靜止流體形成速度不連續(xù)的間斷面。由湍流力學(xué)知識(shí)可知，速度間斷面是不穩(wěn)定的，必定會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，并發(fā)展成旋渦，從而引起紊動(dòng)，這樣就會(huì)把原來周圍處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體席卷到射流中，這就是卷吸現(xiàn)象。隨著紊動(dòng)的發(fā)展，被卷吸并與射流一起運(yùn)動(dòng)的流體不斷增大，射流邊界逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，流量沿程增大，由于周圍靜止流體與射流的摻混，相應(yīng)產(chǎn)生了對(duì)射流的阻力，使射流邊緣部分流速降低，難以保持原來的初始速度。越往下游，射流的邊界就越寬，流量也越大，而流速就越小。

2、附壁效應(yīng)

圖1(a）所示為平行于池底的軸截面上葉輪出口的流線圖，圖1 (b）所示為垂直于池底的軸截面葉輪出口流線圖。水池的壁面分別為池壁a、池壁b、安裝壁面、池壁d、池底以及池面。圖1(c）顯示了潛水?dāng)嚢杵鲀?nèi)沿軸向各個(gè)截線上較大速度的位置。由圖3.4不難發(fā)現(xiàn)，流體經(jīng)由攪拌器沖出葉輪后，射入水池。池內(nèi)沿著軸向各個(gè)截線上較大流速對(duì)應(yīng)的位置是先向池底偏移，然后向上抬起，之后在（2430, 240.84）這個(gè)點(diǎn)，己經(jīng)超過軸中線，移到水池內(nèi)偏上的位置。同時(shí)，流線還會(huì)先向池壁b偏移，流體與池壁b相互作用，流線再向池壁a移動(dòng)。由之前相關(guān)資料和圖1水池內(nèi)流體偏向池底和池壁b流動(dòng)可知，這與潛水?dāng)嚢杵鞯陌惭b位置有關(guān)， 一般潛水?dāng)嚢杵鳛榉菍?duì)稱安裝，且偏池底安裝，該現(xiàn)象為附壁效應(yīng)，又稱康達(dá)效應(yīng)或柯恩達(dá)效應(yīng)。附壁效應(yīng)是指流體（水流或氣流）離開本來的流動(dòng)方向，改為隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向。當(dāng)流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦?xí)r，流體的流速會(huì)減慢。只要物體表面的曲率不是太大，依據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理， 流速的減緩會(huì)導(dǎo)致流體被吸附在物體表面上流動(dòng)。在潛水?dāng)嚢杵鲾嚢璧乃乩锲毡榇嬖诟奖谛?yīng)。

圖1 

3、旋渦現(xiàn)象

從圖2(a)、 (b）可以觀察到11個(gè)渦，其中1號(hào)、2號(hào)、8號(hào)、9號(hào)和10號(hào)為大尺寸渦圈結(jié)構(gòu)；5號(hào)渦尺寸小一些；3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)為葉片附近的渦，尺寸較?。?1號(hào)渦為大尺度A形渦結(jié)構(gòu)，存在分流區(qū)。2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)渦為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)渦為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由于附壁作用，水流偏向近壁流動(dòng)，當(dāng)流體碰到池壁后，流體沿著池壁流動(dòng)，邊界層內(nèi)流體會(huì)逐漸減速、增壓。由于流體流動(dòng)的連續(xù)性，邊界層會(huì)變厚，在同一時(shí)間內(nèi)流過更多的低速流體，流體進(jìn)一步減速，之后整個(gè)邊界層內(nèi)流體的動(dòng)能都不足以長(zhǎng)久地維持向下游流動(dòng)，以致在物體表面某處其速度會(huì)與勢(shì)流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。 該逆流會(huì)把邊界層向勢(shì)流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離之后，它將從緊靠物面的地方抬起進(jìn)入主流，形成了旋渦。圖2(c）截面a、截面b、截面C、截面d分別為四個(gè)過軸線的截面上渦強(qiáng)度云圖。由圖2(c）可發(fā)現(xiàn)葉片的背面輪緣處產(chǎn)生了渦帶，流體螺旋式向前流動(dòng)，且渦帶的中心區(qū)域均穿過云圖上顏色較深區(qū)域，即渦帶中心區(qū)域?yàn)闇u強(qiáng)度較大的區(qū)域。這是由于葉輪葉片工作面壓力大于背面壓力，葉片工作面流體與背面流體存在速度差，背面的流體繞過輪緣流向工作面，形成旋渦，旋渦與主流相互作用形成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的渦帶掃射下去。這正如流體力學(xué)家陸士嘉所說：“流體經(jīng)不起搓，一搓就出現(xiàn)了旋渦。”

水池里各種大尺度的渦以及很多小尺度的渦，都是池壁與潛水?dāng)嚢杵鲗?duì)水流相互作用，使得旋轉(zhuǎn)體尾跡形成的渦與流體在池壁邊界層分離形成的渦相互作用的結(jié)果，流態(tài)極其復(fù)雜。

在水池內(nèi)存在一些死區(qū)，在死區(qū)內(nèi)流體速度較低，流體在死區(qū)內(nèi)打轉(zhuǎn)，無(wú)法與別處的流體發(fā)生流動(dòng)，此處的污水無(wú)法充分?jǐn)嚢?，從而影響攪拌效果。因此，我們期望水池?nèi)的死區(qū)點(diǎn)越少越好，死區(qū)面積越小越好。

圖2

如圖3所示，設(shè)以潛水?dāng)嚢杵鞒隹谇掖怪庇诔氐椎慕孛鏋閤9=0，分別對(duì) Xi =3300mm、x2=2900mm、x3=2400mm、 x4=l900mm、x5= 1400mm、x6=400mm、x7=100mm、x8=20mm、x9=0、x10 =-80mm、x11 =-1O0mm、X12＝-200mm、 x13＝-300mm、 x14＝-4O0mm、 x15＝-500mm進(jìn)行考察。設(shè)垂直于池底的軸截面為y截面，平行于池面的軸截面為z截面，z4 =0，沿池面到池底，分別取 z1=700mm、 z2=500mm、 z3=100mm、 z4=0、 z5＝-100mm、 z6 =-300mm六個(gè)截面，15個(gè)x截面與6個(gè)z截面分別與y截面相交得到15條x截線，6條z截線。 分別對(duì)這21條截線上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

如圖3所示為垂直于潛水?dāng)嚢杵鳈C(jī)軸的15個(gè)截面，在這15個(gè)截面中， x8=2Omm為潛水?dāng)嚢杵魅~輪出口外某截面，x9=0為潛水?dāng)嚢杵鞒隹诮孛妫瑇10=-80mm為潛水?dāng)嚢杵魅~輪進(jìn)口截面。圖4所示為該15個(gè)截面上的流線圖，葉輪附近的截面流線基本相同，均有很明顯的四個(gè)大的旋渦。水池的池面靠近側(cè)壁 a附近有一個(gè)旋渦，水池側(cè)壁b附近偏池底的位置有兩個(gè)旋渦，潛水?dāng)嚢杵靼惭b位置的下部靠近池底附近位置有一個(gè)旋渦。水池中部，流體較為紊亂，旋渦較大， 且較為明顯，在整個(gè)截面上形成較為明顯的回流。在池壁與潛水?dāng)嚢杵鞴餐饔孟?，x3= 2400mm處池內(nèi)流體形成了兩個(gè)很大的旋渦。在遠(yuǎn)離潛水?dāng)嚢杵鞯膶?duì)面池壁上，池內(nèi)流體碰撞池壁；潛水?dāng)嚢杵靼惭b位置與潛水?dāng)嚢杵髦g的流體，在x12=-200mm、 x13=-300mm、 x14＝-400mm、 x15＝-500mm這四個(gè)截面上， 池面流體很不平穩(wěn)，旋渦主要出現(xiàn)在池底靠近側(cè)壁a附近位置上。

雷諾數(shù)是衡量慣性力與豁性力相對(duì)強(qiáng)弱的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，雷諾數(shù)越大，表示慣性力對(duì)豁性力更加占主導(dǎo)作用，慣性力越占主導(dǎo)作用，湍流就越劇烈。

在化工攪拌機(jī)械以及食品攪拌機(jī)械中，用于攪拌罐的攪拌機(jī)械的雷諾數(shù)計(jì)算公式為

式中，D為攪拌機(jī)葉輪直徑（m）;n為轉(zhuǎn)速（r/min）；ρ為液體密度（kg/m³）;u為液體的動(dòng)力黏度（Pa?s）。

圖3

而此計(jì)算公式也曾是早期對(duì)螺旋槳雷諾數(shù)的表示方法。

目前，普遍應(yīng)用的螺旋槳雷諾數(shù)表示方法是1977年ITTC航模試驗(yàn)池會(huì)議委員會(huì)規(guī)定的，螺旋槳的雷諾數(shù)以0.75處葉切面弦長(zhǎng)以及進(jìn)速來表示，即

式中，V_A為進(jìn)速（m/s）;n為轉(zhuǎn)速（r/min）；D為螺旋槳的直徑（m）; b為0.75R處的弦長(zhǎng)（m）;v為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)（㎡/s）。

圖4

結(jié)合肯夫在漢堡試驗(yàn)池做的系列實(shí)驗(yàn)以及我國(guó)上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室為研究尺度作用需要做的系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ITTC船模試驗(yàn)池會(huì)議規(guī)定，螺旋槳的臨界雷諾數(shù)為3×10⁵，即當(dāng)Re > 3×1O⁵時(shí)，流體屬于湍流狀態(tài)，螺旋槳的性能幾乎與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。

湍流強(qiáng)度為湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值，是衡量湍流強(qiáng)弱的相對(duì)指標(biāo)，I= 0.16Re^-1/8。湍流強(qiáng)度越大，則射流出口斷面處流體越混亂，射流與周圍介質(zhì)的流滲強(qiáng)度越大，使射流的擴(kuò)散角也越大。I<0.01為低湍流強(qiáng)度，I>0.1為高湍流強(qiáng)度。

從目前我國(guó)廣泛應(yīng)用的潛水?dāng)嚢杵髦刑暨x10種，這10種潛水?dāng)嚢杵髦睆綇?180mm到620mm，轉(zhuǎn)速?gòu)?410r/min到480r/min,涵蓋范圍廣，具有代表意義。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本次計(jì)算將選用公式Re = D²nρ/μ對(duì)潛水?dāng)嚢杵鞯睦字Z數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。在攪拌機(jī)的規(guī)定工況下工作，其葉輪內(nèi)及附近的流體雷諾數(shù)與湍流強(qiáng)度如下表所示，雷諾數(shù)在4.5×10⁷以上，湍流強(qiáng)度均在0.014~0.02,故葉輪內(nèi)部及葉輪附近流體屬于高雷諾數(shù)中等湍流強(qiáng)度的流體，葉輪出口處及出口附近湍流劇烈，流體紊亂。

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