SRM 混合器混合效能分析與探討

5.2.1

計算網格

共建立兩個計算網格，第一個計算網格（如圖

5.3

）主要求得單一 週期內之速度場分佈，第二個計算網格（如圖

5.4

）主要目的在計算下 游各週期之濃度場分佈情形，格點總數因幾何外型不同而有些差異，

詳細數據如下表所示

幾何外型 週期性網格格點數 總格點數 A(Ref.) 216000 306000

B 198000 288000 C 234000 324000 D 216000 294300 E 216000 306000 F 216000 306000 G 216000 306000

5.2.2

流場特性

為了解速度場分佈情形對混合效率之影響，因此觀察第一週期內

橫向

(Y-Z)

截面之流場分佈狀態。選取之橫向截面方向為由流體出口處

往入口處觀察所得之截面。分別截取

13

個橫向截面（

A~M

）位置（如 圖

5.5

），便於觀察流場對濃度分佈之影響。由橫向截面速度、流線及

濃度分佈圖（如圖

5.6

）明顯發現，一逆時針方向旋轉之流場形成，

其原因乃由底部傾斜溝槽結構造成，傾斜溝槽使流體產生沿橫向

(Y

軸

)

方向之速度分量，在管道下方溝槽區域流體沿溝槽向右流動，撞擊壁 面後上翻進入管道後向左向下流動，在逆時針旋轉之流場帶動下，原 本兩流體介面將慢慢向左偏移（上壁面比靠近溝槽區快），而管道右 下角區域則是緩緩往上壁面移動，使二流體介面拉伸變形，截面

A~D

剛好是一個週期，到截面

E

時又回復到與截面

A

之流場型態。由此可 之，底部溝槽結構引起之逆時針旋轉之二次流場，可使流體介面扭 曲，增加流體接觸面積，為增加混合效果之主因之一。

5.2.3 SRM

混合器幾何外型對混合效率之影響

為了瞭解混合器幾何外型對混合效率之影響，因此變化其溝槽深 度、溝槽寬度及溝槽傾斜角度，其餘幾何外型參數不變情況下觀察其 對混合之影響，由圖

5.7~5.9

模擬結果發現，三組不同溝槽深度（

0.2d

、

0.42d

及

0.6d

）中，溝槽深度

G

_d

=0.6d

時混合效果最好，溝槽深度

G

_d

=0.2d

時混合最差；不同溝槽寬度（

0.25d

、

0.5d

及

1d

）中，溝槽寬度

G

_w

=1d

時混合效果最好，溝槽寬度

G

_d

=0.25d

時混合最差；當溝槽傾斜角度為

45°

、

60°

及

75°

三種情況時，溝槽傾斜角度

θ=45°

時混合最好，

θ=75°

最 差。後續將從質傳方程式計算之濃度分佈、質點追蹤方法獲取各截面 分佈狀態、及渦度強度三方面探討不同幾何參數影響混合效率之主因。

1.

溝槽深度

(G

_d

)

對混合效果之影響

（

1

）質傳方程式濃度計算結果分析：

觀察各週期位置（如圖

5.10

所示）橫向截面濃度分佈情形，由圖

5.14~5.16

可發現，兩不同流體介面將隨著下游週期位置增加而扭曲，

其中又以溝槽深度

(G

_d

)

為

0.6d

時所造成之介面拉伸最長，

0.25d

最短，

當到達最後一週期位置，流體旋轉之角位移亦以

0.6d

最多，約兩圈

(720°)

，

0.42d

其次（約

630°

），而

0.2d

最差（約

360°

），在最後一週期 濃度分佈，可清楚分辨出在

G

_d

=0.6d

時，混合效果最佳，而

G

_d

=0.2d

最差。

（

2

）質點追蹤方法

於入口右側初始位置放置

800

個質點，可以獲得不同質點所行走 之路徑軌跡，在穩態流場中也就是所謂的流線，藉此可以獲得不同截 面各質點位置分佈情形。此種方法可以避免因進行質傳方程式計算造 成之數值擴散，透過質點分佈情形可判斷混合之好壞。

由圖

5.17~

圖

5.19

，可以清楚發現，因為管道底部傾斜溝槽結構，使得

靠近底部的質點沿橫向方向拉伸，逆時針方向慢慢旋轉向渦度中心移 動，藉由介面增加，可以縮短擴散所需之時間，我們以質點旋轉一圈 為參考，溝槽深度

G

d

=0.2d

（如圖

5.17

）時需在第

12

個週期才可完成，

G

d

=0.42d

（如圖

5.18

）時約在第

10

週期完成，而

G

d

=0.6d

（如圖

5.19

） 時，只需到第

6

週期即可形成，明顯看出溝槽愈深，混合效果較佳。

（

3

）渦度強度分析

為瞭解溝槽深度與渦度大小之關係，依據

(3.9)

式

(3.10)

式計算

A’

與

B’

傾斜中心截面位置（圖

5.20

）沿

X

方向渦度大小，在此之前，先觀察 其傾斜截面中心點A、

B

位置（圖

5.21

）之橫向速度（

V

）分佈，從圖

5.22

中心點

A

可以看出，隨著高度增加，在溝槽最高位置附近有最大的 橫向速度（往

Y

⁺方向），之後慢慢速度遞減並轉為

Y

^-方向，並隨高度增 加有大速度值（往

Y

^-方向），但其最大速度遠小於

Y

⁺方向，整個流場為 逆時針旋轉型態。從最大橫向速度比較，溝槽深度最淺者（

G

d

=0.2d

） 最小，而

G

_d

=0.42d

及

G

_d

=0.6d

最大（兩者幾乎接近），但在

Y

^-方向的橫

向速度以

G

_d

=0.6d

最大。在中心點

B

（不含溝槽），較深的溝槽（

G

_d

=0.6d

）

有有較大的橫向速度（沿

Y

^-方向）。由速度及渦度場分佈（圖

5.23~

圖

5.28

），我們可以發現在

A’

截面上之速度場皆呈現逆時針旋轉，至於渦 度分佈，靠近壁面及溝槽位置之渦度皆為負值，而在中間區域則為正

值，計算結果顯示（參考表

5-1

），渦度大小以

G

_d

=0.6d

最強，

G

_d

=0.42d

次之，而

G

_d

=0.2d

最小，另在

B’

截面上，流場則由右下角流至左下角，

渦度在靠近上、左、右壁面為負值，其餘為正，渦度計算結果（參考 表

5-1(a)~

表

5-1(b)

），亦是以

G

_d

=0.6d

最強，而

G

_d

=0.2d

最小，因此可以 得知，溝槽愈深，可以獲得較強之渦度，增加混合效果。

2.

溝槽寬度

(G

_w

)

對混合效果之影響

（

1

）質傳方程式濃度計算結果分析：

同樣觀察各週期位置（如圖

5.29~

圖

5.30

所示）橫向截面濃度分佈 情形，並與參考之幾何外型比較，整個介面扭曲的情形以溝槽寬度最 寬（

G

w

=1d

）時最為激烈，寬度愈狹窄（

G

w

=0.25d

）效果較差，從流體 旋轉角度看來，在最後一週期，最寬的溝槽（

G

w

=1d

）時，流體旋轉將 近

720°

以上，而最窄的溝槽（

G

w

=0.25d

）流體旋轉約

360°

，明顯不利 於兩流體介面間持續的加速變化。

（

2

）質點追蹤方法

從質點分佈現象圖

5.31

、圖

5.32

可以看出，當溝槽寬度較窄時

（

G

w

=0.25d

），質點形成之條紋寬帶分佈仍以片狀區域為主，但隨溝槽

寬度增加（

G

w

=1d

），流體因旋轉使得由塊狀區慢慢形成帶狀連續區域，

擴散距離縮短，利於兩流體間分子擴散進行。

（

3

）渦度強度分析

由圖

5.33

，流體的中心速度隨溝槽愈寬而增加，因此得知，窄型 溝槽不利於流體在橫向方面速度之發展；至於

A’

與

B’

截面之流場及渦

度場（圖

5.34~

圖

5.37

）分佈情形大致與前面相同，在最寬的溝槽中有

最大的渦度值及面積。另從渦度強度計算所獲得之結果（如表

5-1(c)

及表

5-2(d)

），當溝槽寬度

G

_w

=1d

時，渦度強度遠大於其他兩者，而

G

_w

=0.25d

，獲得之渦度強度最小。

3.

溝槽傾斜角度（

θ

）對混合效果之影響

（

1

）質傳方程式濃度計算結果分析：

由濃度分佈圖顯示（如圖

5.38

與圖

5.39

），傾斜角度

θ=75°

時，造 成流體逆時針旋轉之角位移約一圈（

360°

），而傾斜角度

θ=60°

時，流 體旋轉角度約接近

630°

，比

θ=45°

（角位移約

720°

）稍小。

（

2

）質點追蹤方法

由圖

5.40

及圖

5.41

觀察質點分佈情形，反而是在

θ=60°

時，質點 沿橫向造成之拉伸介面較

θ=45°

時變化稍大，與由濃度分佈圖稍有不

同，而

θ=75°

時，不管是角位移與延展介面仍是三者最差。

（

3

）渦度強度分析

由橫向速度分佈曲線（如圖

5.42

），溝槽傾斜角度在

75°

度時，為 三者中橫向速度發展最差者，

45°

及

60°

在橫向速度大小不分軒輊，但 在只具有管道之截面（

B’

）上，傾斜角在

60°

有最大橫向速度。流場及 渦度分佈狀態如圖

5.43~

圖

5.46

所示，另由表

5-1

（

e

）及表

5-1

（

f

）之 渦流強度計算結果，在

θ=60°

時，渦度強度仍小於傾斜角度

θ=45°

，而

θ=75°

，所計算獲得之渦度強度最小。

在文檔中 凹槽結構管道微混合器流場分析 (頁 46-50)