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)用場景中，過強的局部剪切往往會帶來一些問題：絮體被打碎、微生物受損、沉降變慢，甚至能耗明顯上升。

運動中的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，而是借助獨特的幾何外形與三維運動方式，在較低剪切的條件下建立更強的整體循環(huán)與體積交換。今天，我們就來見識一下這種“會跳舞”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，而是一個外形獨特的攪拌體——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半徑相同的圓構(gòu)造而來：這兩個圓位于互相垂直的平面內(nèi)，并且每個圓的圓心都落在另一個圓的圓周上，隨后形成一個連續(xù)的三維曲面體。

Oloid 是由2個相互垂直的圓形構(gòu)成的（圖片來源：[1]）

在工程實現(xiàn)上，Oloid 并不是單獨一個曲面體放進水里轉(zhuǎn)動這么簡單，而是與整套傳動機構(gòu)共同構(gòu)成攪拌系統(tǒng)。典型裝置通常由電機與減速單元提供穩(wěn)定的低速大扭矩輸出，再經(jīng)由連桿、偏心或擺臂等傳動/擺動機構(gòu)，將電機的單一旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為攪拌體的空間復(fù)合運動；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。正因為有了這種旋轉(zhuǎn)與擺動的運動轉(zhuǎn)換，Oloid 攪拌體在水下會呈現(xiàn)周期性的推擠與回擺，使其攪拌作用不再局限于一個平面內(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。

為什么叫“三維攪拌器”？

之所以叫“三維”，并不是因為它長得立體，而是它攪動水的方式不只是繞著一根軸轉(zhuǎn)一圈，而是讓水在上、下、左、右多個方向同時流動起來，形成更立體的循環(huán)。很多傳統(tǒng)攪拌器工作時，你會看到葉輪附近翻得很厲害，像開了一臺水下風(fēng)扇。這種方式當然能攪動水，但也容易出現(xiàn)一個現(xiàn)象：離葉輪近的地方動得快，遠一點或者深一點的地方則動得慢，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)奏的空間運動，把水一股一股地推動起來。這樣一來，水流不是只在一個平面里打轉(zhuǎn)，而會同時帶動上層和下層、中心和邊緣之間的交換。你可能會發(fā)現(xiàn)：水面不一定翻得很夸張，但池子內(nèi)部的水其實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為更省電，最主要的原因是它更擅長把電機的功率用在推動整個池子的水滾動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)速哪怕降低一點點，功率就可能明顯下降。所以，三維攪拌器能夠用更低的轉(zhuǎn)速達到同樣的混合均勻度或防沉積效果，從而直接降低了對電機功率的需求。

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烈擾動，葉輪附近會出現(xiàn)很強的速度梯度，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，高剪切往往會帶來副作用：它會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，局部極端剪切相對少，能把更多能量投入到整體搬運和體積交換上。

三維攪拌器的適用場景

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。它的優(yōu)勢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，從而提升運行的穩(wěn)定性。

三維攪拌器還有一個很實用的功能——防結(jié)冰。在池塘、湖泊、小型水庫或蓄水池里，只要水面長時間完全封凍，水和空氣之間的交換就會變差，水下的生物就會受到影響。三維攪拌器則通過持續(xù)的循環(huán)和水面波動，讓水面保持運動，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會相遇長大，又要避免過強攪動把已形成的絮團打碎，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會的同時，減少對絮體結(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)場景中，一方面，生化體系通常不需要過強的攪動；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溫和的運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，并降低對微生物結(jié)構(gòu)的擾動。

參考文獻

[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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