通過以往發布的潛水攪拌器相關技術文章內容我們可以了解到，污水處理廠中的潛水攪拌器所在水池內的流體是在潛水攪拌器與水池池壁的共同作用下流動的，且流體流動態勢一般較為復雜，概括來說會存在以下三種特別的現象：

1、卷吸現象

流體從葉輪內以初始速度u射出后，與周圍靜止流體形成速度不連續的間斷面。由湍流力學知識可知，速度間斷面是不穩定的，必定會產生波動，并發展成旋渦，從而引起紊動，這樣就會把原來周圍處于靜止狀態的流體席卷到射流中，這就是卷吸現象。隨著紊動的發展，被卷吸并與射流一起運動的流體不斷增大，射流邊界逐漸向兩側擴展，流量沿程增大，由于周圍靜止流體與射流的摻混，相應產生了對射流的阻力，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

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）顯示了潛水攪拌器內沿軸向各個截線上較大速度的位置。由圖3.4不難發現，流體經由攪拌器沖出葉輪后，射入水池。池內沿著軸向各個截線上較大流速對應的位置是先向池底偏移，然后向上抬起，之后在（2430, 240.84）這個點，己經超過軸中線，移到水池內偏上的位置。同時，流線還會先向池壁b偏移，流體與池壁b相互作用，流線再向池壁a移動。由之前相關資料和圖1水池內流體偏向池底和池壁b流動可知，這與潛水攪拌器的安裝位置有關， 一般潛水攪拌器為非對稱安裝，且偏池底安裝，該現象為附壁效應，又稱康達效應或柯恩達效應。附壁效應是指流體（水流或氣流）離開本來的流動方向，改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時，流體的流速會減慢。只要物體表面的曲率不是太大，依據流體力學中的伯努利原理， 流速的減緩會導致流體被吸附在物體表面上流動。在潛水攪拌器攪拌的水池里普遍存在附壁效應。

圖1 

3、旋渦現象

從圖2(a)、 (b）可以觀察到11個渦，其中1號、2號、8號、9號和10號為大尺寸渦圈結構；5號渦尺寸小一些；3號、4號、6號、7號為葉片附近的渦，尺寸較小；11號渦為大尺度A形渦結構，存在分流區。2號、4號、6號、7號渦為順時針方向旋轉，1號、3號、5號、8號、9號、10號渦為逆時針方向旋轉。由于附壁作用，水流偏向近壁流動，當流體碰到池壁后，流體沿著池壁流動，邊界層內流體會逐漸減速、增壓。由于流體流動的連續性，邊界層會變厚，在同一時間內流過更多的低速流體，流體進一步減速，之后整個邊界層內流體的動能都不足以長久地維持向下游流動，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產生逆流。 該逆流會把邊界層向勢流中排擠，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分別為四個過軸線的截面上渦強度云圖。由圖2(c）可發現葉片的背面輪緣處產生了渦帶，流體螺旋式向前流動，且渦帶的中心區域均穿過云圖上顏色較深區域，即渦帶中心區域為渦強度較大的區域。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長長的渦帶掃射下去。這正如流體力學家陸士嘉所說：“流體經不起搓，一搓就出現了旋渦。”

水池里各種大尺度的渦以及很多小尺度的渦，都是池壁與潛水攪拌器對水流相互作用，使得旋轉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果，流態極其復雜。

在水池內存在一些死區，在死區內流體速度較低，流體在死區內打轉，無法與別處的流體發生流動，此處的污水無法充分攪拌，從而影響攪拌效果。因此，我們期望水池內的死區點越少越好，死區面積越小越好。

圖2

如圖3所示，設以潛水攪拌器出口且垂直于池底的截面為x9=0，分別對 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進行考察。設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六個截面，15個x截面與6個z截面分別與y截面相交得到15條x截線，6條z截線。 分別對這21條截線上數據進行分析。

如圖3所示為垂直于潛水攪拌器機軸的15個截面，在這15個截面中， x8=2Omm為潛水攪拌器葉輪出口外某截面，x9=0為潛水攪拌器出口截面，x10=-80mm為潛水攪拌器葉輪進口截面。圖4所示為該15個截面上的流線圖，葉輪附近的截面流線基本相同，均有很明顯的四個大的旋渦。水池的池面靠近側壁 a附近有一個旋渦，水池側壁b附近偏池底的位置有兩個旋渦，潛水攪拌器安裝位置的下部靠近池底附近位置有一個旋渦。水池中部，流體較為紊亂，旋渦較大， 且較為明顯，在整個截面上形成較為明顯的回流。在池壁與潛水攪拌器共同作用下，x3= 2400mm處池內流體形成了兩個很大的旋渦。在遠離潛水攪拌器的對面池壁上，池內流體碰撞池壁；潛水攪拌器安裝位置與潛水攪拌器之間的流體，在x12=-200mm、 x13=-300mm、 x14＝-400mm、 x15＝-500mm這四個截面上， 池面流體很不平穩，旋渦主要出現在池底靠近側壁a附近位置上。

雷諾數是衡量慣性力與豁性力相對強弱的一個無量綱數，雷諾數越大，表示慣性力對豁性力更加占主導作用，慣性力越占主導作用，湍流就越劇烈。

在化工攪拌機械以及食品攪拌機械中，用于攪拌罐的攪拌機械的雷諾數計算公式為

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

圖3

而此計算公式也曾是早期對螺旋槳雷諾數的表示方法。

目前，普遍應用的螺旋槳雷諾數表示方法是1977年ITTC航模試驗池會議委員會規定的，螺旋槳的雷諾數以0.75處葉切面弦長以及進速來表示，即

式中，V_A為進速（m/s）;n為轉速（r/min）；D為螺旋槳的直徑（m）; b為0.75R處的弦長（m）;v為水的運動黏性系數（㎡/s）。

圖4

結合肯夫在漢堡試驗池做的系列實驗以及我國上海交通大學船舶流體力學實驗室為研究尺度作用需要做的系列實驗結果，ITTC船模試驗池會議規定，螺旋槳的臨界雷諾數為3×10⁵，即當Re > 3×1O⁵時，流體屬于湍流狀態，螺旋槳的性能幾乎與雷諾數無關。

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

從目前我國廣泛應用的潛水攪拌器中挑選10種，這10種潛水攪拌器直徑從 180mm到620mm，轉速從1410r/min到480r/min,涵蓋范圍廣，具有代表意義。 為了簡化計算，本次計算將選用公式Re = D²nρ/μ對潛水攪拌器的雷諾數進行計算分析。在攪拌機的規定工況下工作，其葉輪內及附近的流體雷諾數與湍流強度如下表所示，雷諾數在4.5×10⁷以上，湍流強度均在0.014~0.02,故葉輪內部及葉輪附近流體屬于高雷諾數中等湍流強度的流體，葉輪出口處及出口附近湍流劇烈，流體紊亂。

相關文章：淺析潛水攪拌器的流場特點 （一）