在許多人的印象中，攪拌就是葉輪高速旋轉(zhuǎn)、液面翻花、渦流四起。但你見過一種攪拌器，像在水里跳跳“8”字舞一樣，有節(jié)奏地推著水體做大范圍循環(huán)嗎？在一些例如水處理、生物反應(yīng)、 絮凝沉降 等 應(yīng)用場(chǎng)景中，過強(qiáng)的局部剪切往往會(huì)帶來一些問題：絮體被打碎、微生物受損、沉降變慢，甚至能耗明顯上升。

運(yùn)動(dòng)中的Oloid 攪拌器（圖片來源：[3]）

三維攪拌器（又稱 Oloid 攪拌器）正是在這樣的工程需求下引起了人們的注意，并不依賴提高轉(zhuǎn)速來取勝，而是借助獨(dú)特的幾何外形與三維運(yùn)動(dòng)方式，在較低剪切的條件下建立更強(qiáng)的整體循環(huán)與體積交換。今天，我們就來見識(shí)一下這種“會(huì)跳舞”的三維攪拌器到底神奇在哪里？

三維攪拌器的結(jié)構(gòu)

三維攪拌器的核心部件不是常見的多葉片葉輪，而是一個(gè)外形獨(dú)特的攪拌體——Oloid。Oloid是一種三維曲面的名稱。它是德國建筑師和機(jī)械工程師Paul Schatz在1929年發(fā)明的。幾何上，我們可以把它理解為由兩個(gè)半徑相同的圓構(gòu)造而來：這兩個(gè)圓位于互相垂直的平面內(nèi)，并且每個(gè)圓的圓心都落在另一個(gè)圓的圓周上，隨后形成一個(gè)連續(xù)的三維曲面體。

Oloid 是由2個(gè)相互垂直的圓形構(gòu)成的（圖片來源：[1]）

在工程實(shí)現(xiàn)上，Oloid 并不是單獨(dú)一個(gè)曲面體放進(jìn)水里轉(zhuǎn)動(dòng)這么簡單，而是與整套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成攪拌系統(tǒng)。典型裝置通常由電機(jī)與減速單元提供穩(wěn)定的低速大扭矩輸出，再經(jīng)由連桿、偏心或擺臂等傳動(dòng)/擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的單一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為攪拌體的空間復(fù)合運(yùn)動(dòng)；最終由支撐與安裝結(jié)構(gòu)將其固定在池體內(nèi)合適的深度與位置。正因?yàn)橛辛诉@種旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，Oloid 攪拌體在水下會(huì)呈現(xiàn)周期性的推擠與回?cái)[，使其攪拌作用不再局限于一個(gè)平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)掃掠，而更接近三維空間中的持續(xù)循環(huán)驅(qū)動(dòng)。

為什么叫“三維攪拌器”？

之所以叫“三維”，并不是因?yàn)樗L得立體，而是它攪動(dòng)水的方式不只是繞著一根軸轉(zhuǎn)一圈，而是讓水在上、下、左、右多個(gè)方向同時(shí)流動(dòng)起來，形成更立體的循環(huán)。很多傳統(tǒng)攪拌器工作時(shí)，你會(huì)看到葉輪附近翻得很厲害，像開了一臺(tái)水下風(fēng)扇。這種方式當(dāng)然能攪動(dòng)水，但也容易出現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：離葉輪近的地方動(dòng)得快，遠(yuǎn)一點(diǎn)或者深一點(diǎn)的地方則動(dòng)得慢，池子大了以后就可能出現(xiàn)有的地方混得很勻，有的地方則混合不夠的情況。

Oloid 攪拌體外形（圖片來源：[2]）

而三維攪拌器更像是在水里做推水的動(dòng)作。它不是靠高速葉尖去“切”水，而是用一種有節(jié)奏的空間運(yùn)動(dòng)，把水一股一股地推動(dòng)起來。這樣一來，水流不是只在一個(gè)平面里打轉(zhuǎn)，而會(huì)同時(shí)帶動(dòng)上層和下層、中心和邊緣之間的交換。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)：水面不一定翻得很夸張，但池子內(nèi)部的水其實(shí)在做更大范圍的循環(huán)。

三維攪拌器為什么能夠節(jié)能？

三維攪拌器之所以常被認(rèn)為更省電，最主要的原因是它更擅長把電機(jī)的功率用在推動(dòng)整個(gè)池子的水滾動(dòng)起來這件真正有用的事情上。從攪拌能耗的基本規(guī)律看，攪拌功率對(duì)轉(zhuǎn)速非常敏感：轉(zhuǎn)得越快，耗電上升得非常厲害，常見的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律是功率隨轉(zhuǎn)速近似按三次方增長。換句話說，轉(zhuǎn)速哪怕降低一點(diǎn)點(diǎn)，功率就可能明顯下降。所以，三維攪拌器能夠用更低的轉(zhuǎn)速達(dá)到同樣的混合均勻度或防沉積效果，從而直接降低了對(duì)電機(jī)功率的需求。

傳統(tǒng)的攪拌器葉片（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

第二個(gè)節(jié)能原因是減少無效剪切。很多傳統(tǒng)葉輪靠葉尖高速掃過水體來制造強(qiáng)烈擾動(dòng)，葉輪附近會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的速度梯度，也就是高剪切區(qū)。但在絮凝、生化混合、均質(zhì)循環(huán)這些過程里，高剪切往往會(huì)帶來副作用：它會(huì)把剛長大的絮體剪碎、讓體系反復(fù)經(jīng)歷“形成絮狀物-打碎”的循環(huán)，結(jié)果是混合看似很劇烈，卻并沒有把能量用在提高整體效果上。三維攪拌器更偏向溫和驅(qū)動(dòng)，局部極端剪切相對(duì)少，能把更多能量投入到整體搬運(yùn)和體積交換上。

三維攪拌器的適用場(chǎng)景

在水處理領(lǐng)域，三維攪拌器更適合用在需要快速混勻、但不希望攪得太猛的環(huán)節(jié)，例如藥劑投加后的均勻分散、防分層以及通過穩(wěn)定循環(huán)來降低底部積泥風(fēng)險(xiǎn)。它的優(yōu)勢(shì)在于更容易把混合作用覆蓋到更大的水體范圍，使藥劑分布與反應(yīng)條件更一致，從而提升運(yùn)行的穩(wěn)定性。

三維攪拌器還有一個(gè)很實(shí)用的功能——防結(jié)冰。在池塘、湖泊、小型水庫或蓄水池里，只要水面長時(shí)間完全封凍，水和空氣之間的交換就會(huì)變差，水下的生物就會(huì)受到影響。三維攪拌器則通過持續(xù)的循環(huán)和水面波動(dòng)，讓水面保持運(yùn)動(dòng)，薄冰不容易連成整片，從而在冬季盡可能維持一塊或多塊開口水面，讓空氣與水繼續(xù)交換。

三維攪拌器用于防結(jié)冰（圖片來源：[4]）

在絮凝相關(guān)過程中，絮凝既要讓顆粒有機(jī)會(huì)相遇長大，又要避免過強(qiáng)攪動(dòng)把已形成的絮團(tuán)打碎，因此更需要溫和但覆蓋廣的攪拌方式。三維攪拌器往往更有利于在保證接觸機(jī)會(huì)的同時(shí)，減少對(duì)絮體結(jié)構(gòu)的破壞，從而改善后續(xù)沉降表現(xiàn)。

在生物處理或生物反應(yīng)場(chǎng)景中，一方面，生化體系通常不需要過強(qiáng)的攪動(dòng)；另一方面，又必須避免溶解氧、營養(yǎng)與溫度在空間上分布不均。三維攪拌器通常能在相對(duì)溫和的運(yùn)行條件下建立較大范圍的循環(huán)交換，幫助系統(tǒng)維持更均勻的環(huán)境，并降低對(duì)微生物結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/TdqVOK60K7Wx8FbnNu6uMw

[2]https://www.oloid.de/en/home/

[3]https://tharin.org/oloide/

[4]https://www.oloid.de/anwendungen/eisfreihaltung/

來源：力學(xué)科普

編輯：丁香葉子

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