剪切式均质机（泵）内流体流场的理论研究张文明，张裕中（江南大学机械工程学院，江苏无锡214063）量方程对流动过程中定、转子间产生的周向流流场和定、转子开口槽内产生的径向流流场进行了分析，探讨了其对流体均质的影响，为剪切式均质机的进一步研究和设计提供了理论依据。

　　在化工、食品、制药等工业生产中，剪切均质是一项极重要的操作单元，均质过程作为一种强化分散、细化及均一化的有效手段，得到了广泛应用。

　　在剪切式定转子均质机中，剪切作用主要是通过物料在高速旋转的转子和定子间的间隙内被剪切及由此间隙和定转子上开口槽射流的综合效应来实现，这是剪切式均质机的主要特点。剪切式均质机装置的功能可设计成为产生大的流动作用和小的剪切作用、产生大的剪切作用和小的流动作用，或者在两者之中产生平衡。作者用数学方法建立一些假设，分析剪切式均质机空腔内流体的流场分布，探讨其对流体均质的影响。

　　1周向流的流场分析如所示，定转子间距相距为2h（图中所示间隙为放大后）的两叶片间充满不可压缩流体。假设流体在x向（圆周方向）作用有压力梯度cont（因为在周向运动过程中，摩擦力引起流体所具机械能沿周向减少，压力梯度变化呈现周期性不断减少的趋势）假设流体运动速度和温度的边界条件均与x无关，且叶片间流体流动速度分布和温度分布也与x无关，只是y的函数，u=u（y）；还不考虑径向速度v（v=0是指定转子间流体的流动速度）。

　　江南大学学报（自然科学版）周向流的流动则动量方程P（~+v简化为一a）相应的边界条件为：=h时，u=U=转；联立式a）、（2）及边界条件可得流场速度分布方程c.合流速U流场分布周向流场分布对于粘性物料，当Re（雷诺数）较小时，边界层内（定转子间）的流动均可假设为层流的，其流场及剪切场分析参见；当Re较大时，边界层内的流动开始由层流过渡到湍流状态，流动状态不稳定。从（）可知，物料在定转子间运动过程中，其速度分布具有不均匀性，在定、转子与流体界面切线处流体流速大与小值相互交替。

　　2径向流的流场分析可以将周向流速u写成M1+M2，其中u在剪切均质过程中，通过定转子间的高速剪切后，流体在离心力作用下穿过定、转子上的开口槽（开口槽一般都设计成与径向成一定角度）。流体的流动可假设为径向流动（因定转子之间间隙相对于定、转子叶片厚度来说非常小，物料在相互接触处受到强烈的剪切和研磨作用；而在对应开口槽处，物料主要受到流场的作用而产生相互碰撞），径向流的流动如所示。

　　（a）、（b）所示流场分布简图以及（c）所示合流速M的流场分布简图。

　　a.周向流Ml速度流场分布径向流的流动Fig.3Radialflow现假设流动是对称性的，在7=0处，Mr为大值Mm=Mr|y=0，且流体只向外抛射，即My=0，则用极坐标表示的方程NavierStokes且定义Re =方程（7）是椭圆积分，永远无法用封闭形式直接求积分，只能应用数值计算方法求解。方程有意义的是对任意给定a和Re，相应于内流和外流的多重区域，都可能有无穷个解，有对称和不对称的，所以必须针对不同大小的a和Re进行分析。

　　对于粘性流体，a和Re数值较小时，可以忽略方程（7）中的a2和Rea项，即可准确地由积分方程（7），得出C=4，并能推导出方程（8）：方程（8）表示整个通道横截面上速度分布均为正，分布呈抛物线状且较均匀。（a）是无回流叶片切槽内流体速度分布示意图。当a较小和Re值足够大，转子转速非常高时，可忽略方程（7）中的a2项，那么方程就可以简化为：方程（9）表示对于不同粘度的物料，可指定值的范围，并进行积分得到计算值与推出值，作出与方程相对应的有回流叶片切槽内流体速度分布示意图，见（b）。在靠近切槽边界面区域内，速度为负值，说明在该区域出现了回流，流体的边界面分离，形成旋涡和流动状态不稳定，旋涡的产生不仅使流体碰撞更强烈，也是形成区域性湍流的主要因素之一。当然在实际流动中，流动状态及速度非常复杂，对于这种回流流动，至今尚无完善的理论分析方法可循。

　　（a）无回流叶片切槽内流体速度分布（b）有回流叶片切槽内流体速度分布切槽内流体速度分布3结语剪切式定转子均质机空腔内流体流动的实际流场远比上述复杂，所涉及的相关参数很多，流场分布受到均质机的结构和操作参数的影响，且物料特性对流体流场分布也有较大影响。在工程应用中，对湍流的处理只有半经验理论。特别是高粘度的流体速度场和剪切场关系的确定，对均质机能量特性研究有较大影响。因此，通过对流体流场的分析研究，不仅可以清楚地了解物料在均质机空腔内的流动情况，还可以确定产生强烈剪切作用的主要因素与均质能量特性，以及流场分布对均质效果的影响。