全世界經濟發展的同時，我們周圍的環境在不斷惡化。在我國尤其如此，近二十年經濟的迅猛發展給環境帶來嚴重影響。我國境內的河流受污染情況十分嚴重，大多數河流的水質都出現了不同程度的下降。地球上的淡水資源是有限的，在我國的北方大部分地區水資源是缺乏的，因此我國實施了南水北調工程。日益嚴重的水污染與水資源短缺，使得有效的水處理技術變得越來越重要，人們從不同的方向改進著水技術。其中，混凝技術是一種常見的水處理技術，得到廣泛的認可和推廣。水的混凝機理十分復雜，一直得到廣大學者的關注。一般認為：混凝過程中包含凝聚和絮凝兩個步驟，其中凝聚是在瞬間內完成的，它是指化學藥劑與水接觸形成小顆粒的過程，在水處理過程中表現為使用各種混合設備將藥劑與水均勻地混合，其均勻的程度關系著混凝效果優劣；絮凝是指凝聚過程中形成較小顆粒后，它們之間相互碰撞形成較大顆粒并沉降的過程。
影響混合效果的因素主要有三方面：一、廢水水質，包括廢水中濁度、 PH 值、水溫及共存雜質等；二、混凝劑，包括混凝劑種類、投加量和投加順序等； 三、水利條件，主要指混合的方式。混合方式有： 管式混合、水力混合、機械攪拌混合以及水泵混合等。其中管式混合主要形式有管式靜態混合器、孔板式、文氏管道混合器、擴散混合器等；機械攪拌混合是在池內安裝攪拌裝置，以電動機驅動攪拌器將水與藥劑混合；水泵混合是將藥劑投放在水泵吸水管或吸水喇叭口處，利用水泵葉片的高速旋轉來達到快速混合。 在水處理過程中，管式 靜態混合器 具有高效混合、節約用藥、設備小等特點，它是由一組組混合元件組成，而混合元件組數的確定應根據水質、混合效果而定。
在不需外動力情況下，水流通過混合元件時可以產生較大范圍對流、返流和漩渦等運動，這些均能促使藥劑均勻的分布。在選擇 管式靜態混合器 時，其管內流速應控制在經濟流速范圍內，當水流量較大所選管徑大于 500 毫米時速度范圍可以適當地放寬。混凝劑的入口方式以較大的速度，射流進入混合器管道內為佳。實際應用中管式靜態混合器的水頭損失一般在 0.4-0.6 米范圍內，條件允許時可將管徑放大 50-100 毫米，可以減少水頭損失。本文的主要研究對象即為 管式靜態混合器 。
2 靜態混合器
靜態混合器 (static mixer) 是一種沒有運動部件的高效混合設備，它在管道內加入靜止元件，其主要包括三類 : 一類對流體起切割作用、二是使流體發生旋轉、三是使流道形狀與截面積變化 ( 圖 1-2 至 1-6) ，然后依靠流體自身的動力 ( 壓力降 ) ，在流經元件的時候實現對流體的混合，被謄為是一種“雖然非常簡單，卻能發揮巧妙的作用”的工業元件。它可以在很大的流體粘度范圍內，不同的流動狀態下應用，既可間歇的又可連續的操作。其能使不同的流體達到均勻混合，根本原因在于混合元件使流體產生分流、拉伸、旋轉、合流等運動，過程中增強了湍動，這些均極大地促進了對流擴散和紊動擴散，從而造成完善的徑向混合效果。靜態混合器有許多優點，與動態混合器相比，其結構簡單、能耗低、安裝維修簡便、混合性能好、連續工作等。有學者早在 1983 統計，靜態混合器的應用使美國增加了 1400 萬美元工業產值。
靜態混合器*早是在 60 年代由美國的 Kencis 公司研制成功，近年來由于其良好的性能和較廣的應用范圍得到人們越來越多的關注，同時出現了許多新型混合元件，但能夠制作成商業產品得到廣泛引用的較少。目前比較成熟且應用廣泛的靜態混合器主要有以下六種 : 美國的 Kenics 型、 Ross 型，瑞士的 Sulzer SMV 型、 SMX 型和 SMXL 型，口本的 Hi 型。
國內對于 靜態混合器 的應用與開發起步較晚，無論從規模還是從發揮效益看，都遠遠沒有達到國外的水平，靜態混合器的應用價值沒有得到充分的挖掘。國內的靜態混合器主要為仿制國外的混合器形式，擁有自主產權且廣泛應用的靜態混合器很少，所以國內的靜態混合器的開發與應用還有很大的前景。國內靜態混合器根據對國外的篩選，主要類型有 :SV, SH, SK, SX 和 SL 型等五種。
內置翼片靜態混合器 ( 又稱 HEV 靜態混合器 ) 是由美國 Chemineer 公司于 20 世紀 90 年代研發成功的一款產品。它的元件為翼片形狀 ( 圖 1-7) 所起的作用為增大剪切、改變流道面積。這種混合器被認為具有內部結構簡單、流動阻力小、壓力損失小以及加工制造相對容易等特點。
3 國內外學相同，主要有實驗研究、理論研究、數值計算三種。實驗研究的優點是獲取數據可靠，其缺點是成本高、實驗周期長、數據有限。理論分析是利用簡化的流動模型假設，給出所研究問題的解析解或簡化方程，其結果準確但由于混合器內流動往往是復雜的湍流，給出合適的數學描述十分困難，所以應用較少。計算流體動力學作為一種新的研究方法近年來取得了長足進步，它的優點是成本低、獲取數據快捷、獲得數據量豐富、對復雜幾何形狀的適應能力強，它的缺點是對計算模型的依賴比較大。
在近期的國內外研究中，靜態混合器的混合機理、流體力學性能研究、混合效果研究、物性對混合影響等是人們主要關注的內容。
在混合機理研究方面主要內容為液滴的破碎過程與傳遞現象。周建軍等對液液非均相混合的液滴行為作了總結，指出液滴破碎的兩個原因 :1) 速度梯度引起的粘性剪切力 ;2) 湍流產生的瞬時剪切力和局部壓力波動，同時指出混合過程中還存在著液滴聚并，聚并的發生與否取決于接觸時間與聚并時間的相對大小。
Z.Jaworski 等人用 CFD 方法研究了 Kenics 混合器內部液滴破碎過程，在 CFD 的方程中加入了 Population balance equation ，結果與預測相一致，液滴的尺寸沿著混合器和壓力降低的方向不斷地減小，*終的液滴尺寸分布及*大粒徑與實驗所得數據具有很好的一致性。對傳遞現象的研究集中在強化傳熱和強化傳質兩方面。強化傳質是靜態混合器內發生的主要過程，同時也是混合器工作的主要目的。陳晉南對傳質過程進行了綜述，介紹了分子傳質、對流傳質的基本機理，給出了描述傳遞過程的基本方程。王松平通過研究流體內場與外場間的關系，得出強化對流傳質關鍵在于控制內場與外場的協同關系，從唯象上闡述了強化對流傳質的機理，提出在對流傳質區域內，施加和控制各種力場的方向，各種場量方向之間相互配合可使對流傳質加強。 Rui. Ruivo ] 研究了高壓狀態下 Kenics 靜態混合器內流體力學特性和質量輸運過程，在不同的壓力、溫度、入流方式和主次相流量比下測量了混合器內部的質量傳遞速率，回歸得出質量傳遞速率與無量綱參數的函數關系式。而對強化傳熱的研究主要針對混合器在這方面的應用，研究靜態混合器在強化傳熱過程中減少邊界層厚度、增加擾動、增加邊界層速度梯度等作用，同時也從側面證明了其強化傳質的作用。吳劍華等采用 Fluent 計算軟件對四葉片組合靜態混合器內湍流換熱進行數值模擬并與 SK 型靜態混合器進行對比，結果表明，在 1 04≤ R e≤ 105 范圍內，前者的傳熱效率比后者提高約 20% 。過增兀等運用場協同理論分析了強化傳熱和傳質過程，發現所有的強化措施*終均是增強場協同性。 在靜態混合器內流場研究方面，主要研究速度、湍動能、壓降等參數的分布，進而分析它們的影響。再此基礎上可以有根據地進行混合器優化，通過改變結構、入口條件等參數改變流場特性，進而優化靜態混合器性能。 Hyun-Seob Song 等對 KENICS 靜態混合器的壓力場做了數值模擬與實驗研究，發現摩擦系數、雷諾數、混合元件的長徑比對壓力分布有著重大影響。趙建華等對 SMV 靜態混合器流場作了數值模擬與實驗研究，得出對稱面上的速度分布，模擬與實驗所得的速度場吻合較好。 S.Hirschberg 等對 SMX 靜態混合器的結構進行了改進，改進后的混合器混合效果類似改造前的情況時，壓降減少了 50% ，用 CFD 方法得出新型混合器的壓力場、混合效果和停留時間分布，并用實驗做了驗證，兩者一致性較好。
AlbertRenken 等人研究發現，混合元件擺放位置的周期性變化，可以使流動產生周期性的流向變化，這將極大地促進混合效果，即實現無序混合。
物性對混合效果的影響主要集中在混合物質間粘性比、密度比等對混合效果的影響。孟輝波等根據流體動力學、非線性動力學及 Ottino 理論，建立了高勃度流體在 SK 型靜態混合器內的流體流動的改進模型，用 Poincare 映射方法對靜態混合器內的蠕動流的動力學行為進行了數值仿真研究，得出 SK 混合器內高粘度流體徑向流動存在混沌特性。 Christian Lindenberg 研究了主次相不同粘性比下的混合耗時，指出在低雷諾數情況下，混合所需時間隨粘性比增大而減小，在高雷諾數下情況相反，*后總結得出混合耗時是速度、流體進口尺度、粘性的函數。
對混合效果的研究則是直接用數值模擬獲得出口的體積分數分布，或在實驗中使用有色試劑觀察出口分布情況。苗圃等對 PDMS 微流體混合器的混合器效果進行了實驗研究，將離子水和紅墨水按相同比例注入混合器，用照相機拍攝管內流動，稱量混合液的密度并以此驗證混合效果。劉素芬對 SOR 混合器性能的研究通過直觀的羅丹明和去離子水的混合實驗來進行，研究了混合單元數目和流量影響，確定了混合效果與壓損的合理結合點。 Chandra MouliR 等對 kenics 公司 KMX 靜態混合器氣液兩相流動作了實驗研究，對停留時間和流體阻力進行了分析。實驗表明 peclet 數隨著純液體流速的增加而增加，而黏度增加將引起 peclet 數減小 ; 流動阻力實驗表明其是氣液兩相速度的函數，同時與流體的物性參數有很大的相關。
內置翼片 靜態混合器自從其推出以來由于其結構簡單、混合效果較好得到廣泛應用，有許多學者對該混合器進行研究 : 張鴻雁等對該類混合器內三種翼片的混合效果進行了大渦模擬，縱向偏轉角度、翼片間距等參數一致的情況下得出長翼片類型可以達到混合效果和能量損失的*佳結合。金文改變了混合器內的翼片排列方式，比較順排和錯排兩種情況下的混合效果，結果表明錯排情況下效果較好些。尹紅霞對混合器內翼片的擺放進行了變化即進行了錯排，錯排的角度逐漸發生變化，從 30 0 至 60 0 逐漸變大，結果顯示變化后取得了更好的混合效果。陳曉春以流動方向為基準對傾斜角度進行優化，縱向偏轉翼片，分別計算了 30 0 ， 45 0 ， 60 0 三種角度下的混合過程，結果表明傾斜角度在 30 0 時，壓力損失小，并且混合效果好。 Hakim Monhand Kaci 等用實驗和數值模擬方法研究內置翼片靜態混合器流向渦對湍流混合的影響，在雷諾平均方法下使用了不同的湍流模型并與實驗相對比，結果表明 K- §模型是精度與計算量的*佳方法，模擬和實驗均顯示在葉片后產生了流向渦對流體的混合具有較強的促進作用。
Charbel Habchi 等改變內置翼片靜態混合器的葉片擺放，對修改前后的混合器進行數值模擬和實驗研究，結果表明周期改變葉片擺放位置有利十加強湍流強度，促進混合。 R. Wadley 使用激光誘導技術測量內置翼片靜態混合器的混合效果，觀察得出主、次相流量比并不影響混合效果，而混合器長度、次相流入方式、雷諾數對混合有著重大影響。 T.Lemenand} 對內置翼片靜態混合器內不相溶的兩相 ( 油與水 ) 流動中油滴破碎作了理論與實驗研究，理論計算的*大粒徑與實驗相差在 15% 以內，同時得出翼片后是油滴破碎的主要區域。張正成改變了次相入流方式，研究發現入流方式對混合效果有著很大影響，對于二股流體的混合，入流方式不同，即使其它條件 ( 如混合器規格、流率比、表觀線速度等 ) 均相同，混合質量也不同。在管壁、垂直入流兩種方式中，發現垂直入流效果較好且容易實現。
從研究現狀可看到，在對靜態混合器各種研究方法中，數值模擬是研究靜態混合器內部流場及混合效果的重要手段之一，通過數值模擬可以得到與實驗相近的結果，數值模擬有許多優點主要為：
（ 1) 成本低：在實際問題研究過程中，數值模擬所需成本只是幾臺計算機，幾乎不再需求其它任何設備，其相對于實驗研究的成本要低幾個數量級。在實驗研究前，可以用計算所得的解預測所研究物理問題的結果，為實驗研究做好鋪墊。
(2) 速度快：數值計算對一種方案的研究時間很短，且可以同時對多個方案進行計算研究，而實驗研究中多方案同時進行則需大量的設備和投入，幾乎不可能實現。
（ 3) 資料完備：主要指實驗研究中測量數值時，某些區域實現正確的測量較為困難其獲得的數據不是十分可信。而數值模擬可以提供計算區域內所有變量 ( 如速度、溫度、湍流耗散率、濃度、紊流強度等 ) 的值，在計算中可以達到區域內所有位置。
（ 4) 能夠模擬真實條件：主要指在創建所研究問題的幾何模型時，可以依據其實際尺寸來創建，不需要放大或縮小。
（ 5) 能夠模擬理想條件：當研究物理問題時，由于實際問題往往較為復雜，在不影響結果準確性的前提下，人們希望通過若干理想化的條件 ( 如絕熱表面 ) 簡化問題。這些理想化條件在數值模擬中很容易實現，而再**的實驗也很難實現
