偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究

搅拌反应器内普遍存在混合隔离区,是实现高效混合的一大障碍。流场耦合诱发流体的混沌现象,可减少混合隔离区,提高流体混合效率。结合Matlab软件,探究偏心空气射流-单层刚柔组合桨体系的混合行为演变规律,对比分析了不同偏心率下桨叶类型、桨叶离底高度、空气射流量以及转速对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨通过其自身刚-柔-流的多体运动与偏心空气射流的流场耦合,破坏了流体混合过程中出现的对称性流场,使更多的流体进入混沌状态。刚-柔组合桨（RF-RDT、RF-IRDT）比刚性桨（RDT、IRDT）的LLE值大,其中RF-RDT相比于其他3种类型的搅拌桨（IRDT、RDT、RF-IRDT）,其LLE值分别提高了约42.8%,27.0%、6.9%;空气射流的偏心率等于0.6时,其最大LLE值相比于其他偏心率（0.8、0.4、0.2、0）,依次提高了6.5%、2.4%、17.6%、25.1%。该研究结果可为刚柔组合桨的优化设计提供理论依据。     

偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究

搅拌反应器内普遍存在混合隔离区,是实现高效混合的一大障碍。流场耦合诱发流体的混沌现象,可减少混合隔离区,提高流体混合效率。结合Matlab软件,探究偏心空气射流-单层刚柔组合桨体系的混合行为演变规律,对比分析了不同偏心率下桨叶类型、桨叶离底高度、空气射流量以及转速对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨通过其自身刚-柔-流的多体运动与偏心空气射流的流场耦合,破坏了流体混合过程中出现的对称性流场,使更多的流体进入混沌状态。刚-柔组合桨(RF-RDT、RF-IRDT)比刚性桨(RDT、IRDT)的LLE值大,其中RF-RDT相比于其他3种类型的搅拌桨(IRDT、RDT、RF-IRDT),其LLE值分别提高了约42.8%,27.0%、6.9%;空气射流的偏心率等于0.6时,其最大LLE值相比于其他偏心率(0.8、0.4、0.2、0),依次提高了6.5%、2.4%、17.6%、25.1%。该研究结果可为刚柔组合桨的优化设计提供理论依据。     

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

合理设计搅拌反应器的桨叶,强化流体流动与混合行为,是实现流体高效、节能混合的重要手段。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚-柔组合搅拌桨。结合PIV流场观测和CFD模拟,对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨对流场结构及流体混沌混合行为的影响。结果表明,与刚性搅拌桨相比,刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递,流体流速衰减速率降低25%,有利于搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子,其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质,其流场分形维数为1.9337,而刚-柔组合六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质,其流场分形维数为1.9545。刚-柔组合搅拌桨可改变流体流线的吸引子来调控流场的多尺度结构,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

合理设计搅拌反应器的桨叶,强化流体流动与混合行为,是实现流体高效、节能混合的重要手段。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚-柔组合搅拌桨。结合PIV流场观测和CFD模拟,对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨对流场结构及流体混沌混合行为的影响。结果表明,与刚性搅拌桨相比,刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递,流体流速衰减速率降低25%,有利于搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子,其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质,其流场分形维数为1.9337,而刚-柔组合六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质,其流场分形维数为1.9545。刚-柔组合搅拌桨可改变流体流线的吸引子来调控流场的多尺度结构,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

搅拌槽内液相层流荧光可视化及高效混合技术

机械搅拌作为一种重要的混合技术,在化工生产、环保安全、生物制药等领域有着广泛的应用。搅拌效率和流场的分布是衡量搅拌质量的重要指标。然而,在层流搅拌流场中,搅拌桨周期性的扰动产生了环形动力流场导致搅拌槽内普遍存在混合隔离区,隔离区的存在是实现高效混合的主要障碍。本实验基于平面激光诱导荧光技术实现了二维瞬态液相混合流场结构的可视化,研究了Reynolds数和搅拌槽的几何参数对流场结构时空变化规律的影响。基于MATLAB软件对实验图像进行后处理得到非混合区域面积覆盖率,定量计算出流体的混合效率。结果表明,层流搅拌中搅拌槽内叶轮上方和下方出现对称的隔离区域,并且不会随着Reynolds数的增加而消失。通过在搅拌槽内部特定位置（侵入隔离流场几何中心）设置几何挡板结构,破坏隔离区域环形流场的对称性和封闭性,引发混沌混合从而提升混合质量。设置在特定位置的长方体挡板和扇形圆环挡板分别使搅拌槽内流体混合效率在200s内从65%提升至95%和97%。该研究可为高效层流搅拌混合器的设计提供实验数据与理论指导。     

搅拌槽内液相层流荧光可视化及高效混合技术

机械搅拌作为一种重要的混合技术,在化工生产、环保安全、生物制药等领域有着广泛的应用。搅拌效率和流场的分布是衡量搅拌质量的重要指标。然而,在层流搅拌流场中,搅拌桨周期性的扰动产生了环形动力流场导致搅拌槽内普遍存在混合隔离区,隔离区的存在是实现高效混合的主要障碍。本实验基于平面激光诱导荧光技术实现了二维瞬态液相混合流场结构的可视化,研究了Reynolds数和搅拌槽的几何参数对流场结构时空变化规律的影响。基于MATLAB软件对实验图像进行后处理得到非混合区域面积覆盖率,定量计算出流体的混合效率。结果表明,层流搅拌中搅拌槽内叶轮上方和下方出现对称的隔离区域,并且不会随着Reynolds数的增加而消失。通过在搅拌槽内部特定位置(侵入隔离流场几何中心)设置几何挡板结构,破坏隔离区域环形流场的对称性和封闭性,引发混沌混合从而提升混合质量。设置在特定位置的长方体挡板和扇形圆环挡板分别使搅拌槽内流体混合效率在200s内从65%提升至95%和97%。该研究可为高效层流搅拌混合器的设计提供实验数据与理论指导。     

刚柔组合搅拌桨强化搅拌槽中流体混沌混合

搅拌槽内普遍存在着两种不同类型的混合区域：混沌混合区和规则区。增大混沌混合区,是提高流体混合效率、降低搅拌过程能耗的重要途径。而合理设计搅拌桨有助于流体形成适宜的流动状态,实现混沌混合。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚柔组合搅拌桨,可强化流体混沌混合行为。结合Matlab 软件,实验研究了双层桨搅拌槽内自来水体系的最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）的变化规律,对比分析了刚性桨和刚柔组合桨两种桨叶对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨强化流体的运动特性,使更多流体进入混沌混合状态。在转速为210 r·min^-1时,流体的混沌混合达到最佳状态,刚性桨体系的LLE为0.041,而刚柔组合桨体系的LLE为0.048;刚柔组合桨可有效耗散能量,使整个槽体的能量分布均匀,刚柔组合桨在150 r·min^-1时的多尺度熵率与刚性桨在210 r·min^-1时基本相近;刚柔组合桨体系的混合时间均低于刚性桨体系,在转速为120 r·min^-1时,刚柔组合桨使流体的混合时间缩短了26%左右。刚柔组合桨可改变流场结构和能量耗散方式,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

搅拌槽内液相/气-液两相流体宏观不稳定性的对比

宏观不稳定性是搅拌槽内流体运动能量耗散与流场大涡运移的综合表现。控制流体的宏观不稳定性有助于提高流体的混合效率,降低操作能耗。实验以LabView软件采集搅拌槽反应器某点压力脉动信号,数据经过小波分析处理后得到流体的宏观不稳定频率。实验对比研究了液相/气-液两相流体宏观不稳定频率变化趋势。结果表明,液体混合的宏观不稳定频率与搅拌桨转速呈线性关系,而气-液混合反应器内流体的宏观不稳定特征频率消失,出现谱带现象。流场拟序结构尺度变化导致混沌混合特性得到增强。     

搅拌槽混沌混合研究进展

介绍了层流状态下搅拌槽内普遍存在的混合隔离区,它的存在成为混合的一大障碍,而混沌混合的提出和应用极大地提高了混合效率.阐述了混沌混合的基本原理是通过动力学扰动的方式破坏流体颗粒运动轨迹的周期性.同时介绍了截止到目前关于搅拌槽内混沌混合的方法,主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌等,对这些方法的数值模拟和实验研究结果都证明,混沌混合能很好地改善搅拌槽的混合效果,与传统的稳态搅拌方式相比,混沌混合具有很大的优越性.     

偏心射流搅拌强化1,3-二氯-2-丁烯的氯化行为

1,3-二氯-2-丁烯(DCB)的氯化过程同时存在加成反应、取代反应和连续反应,DCB与氯气混合不均匀和反应热移除效果不佳会降低取代氯化的选择性。搅拌槽内流场分布特征与流体的混合效果、化学反应的转化率和选择性等密切相关,调控流场结构有助于强化DCB的氯化行为。文中结合搅拌器专用计算流体动力学软件MixSim 2.0.2,模拟了在偏心射流条件下4 cm二直叶桨式搅拌器、4 cm斜叶圆盘搅拌器和5 cm斜叶圆盘搅拌器槽内的流场分布特征,并进行了DCB氯化实验。研究表明:偏心射流能改变流场分布,控制流场的拟序结构,强化混合效果。在偏心斜射流的条件下,5 cm斜叶圆盘搅拌器的氯化效果较优,能够使DCB氯化的主产物2,3,4-三氯-1-丁烯(TCB)的收率提高到87.9%。     

Novel bioreactor design for the culture of suspended mammalian cells. Part I: Mixing characterization

Mammalian cells are extremely sensitive to mechanical stress. Ideally, a bioreactor design for mammalian cell culture should assure adequate mixing at low mechanical stress. This paper focuses on the mixing characterization of a novel stirred tank bioreactor configuration, proposed for the culture of mammalian cells, based on the principle of displacing the agitation shaft to an eccentric position and replacing the impellers normally used for mammalian cell culture with a disc impeller with no blades. Experiments in a 1.0 L prototype are conducted to study flow patterns using UV light visualization techniques. Three different impeller shaft positions are tested E=0.0,0.21, and 0.42. For the purposes of this work, eccentricity (E) is defined as the distance between the shaft and the vertical centerline of the tank/tank radius. The mixing performance of two different impeller disc diameters (3.0 and 5.0 cm) are compared. Experimental results show that adequate mixing conditions are achieved at very low Re numbers for some of the eccentric cases considered. Computations are used to illustrate mixing improvement caused by eccentricity, and to validate the existence of globally chaotic conditions for the eccentric cases tested experimentally.     

三轴搅拌釜不同桨径比下固-液悬浮特性的数值模拟

利用FLUENT软件对不同桨径比下立式三轴搅拌釜内单相和固-液两相混合过程分别进行三维数值模拟,对流场分析可知增大桨径比能改善立式三轴搅拌釜内流场的结构。利用修正速度判据得出不同桨径比下搅拌釜的临界悬浮转速,并通过计算临界悬浮转速下的搅拌功率,初步得出立式三轴搅拌釜桨径比的最佳取值范围在0.1～0.125之间。     

LIQUID-LIQUID MIXING IN STIRRED VESSELS: A REVIEW

Liquid-liquid mixing is a key process in industries that is commonly accomplished in mechanical agitation systems. Liquid-liquid mixing performance in a stirred tank can be evaluated by various parameters, namely minimum agitation speed, mixing time, circulation time, power consumption, drop size distribution, breakup and coalescence, interfacial area, and phase inversion. The importance of these liquid-liquid mixing parameters, the measurement method, and the results are discussed briefly. Input parameters such as impeller type, power number, flow pattern, number of impellers, and dispersed phase volume fraction, in addition to physical properties of phases such as viscosity and density, are reviewed. Scale-up aspects are also included.     

一种计算搅拌槽混合时间的新方法

基于对混合时间定义的思考，提出了一种新的定义方法，在湍流流场数值计算的基础上通过求解示踪剂的浓度输运方程，研究了单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程。结果表明：搅拌转速和搅拌桨安装位置都影响混合时间的大小，而进料位置对混合时间的影响不大。对于不同的搅拌转速而言，随搅拌转速的增大，相同体积分数对应的混合时间逐渐减小。当搅拌桨安装在槽中间位置时所对应的混合时间最小。利用适宜的尺寸和安装位置的导流筒可有效降低混合时间。     

错位六弯叶桨在假塑性流体中的混沌搅拌特性

基于混沌混合理论,提出了一种错位叶片的结构形式,用来消除层流流场的混合隔离区.利用CFD的方法,对六弯叶涡轮(6BT)和错位六弯叶涡轮(6SBT)2种搅拌器在黄原胶水溶液中的流场变化进行研究,分析比较了2种搅拌器的流场结构、速度分布以及功率消耗的不同.结果表明,模拟计算得到的功率值与实验测量值吻合较好,6SBT桨在层流...     

偏心搅拌反应器内的液相混合行为

利用先进的无干扰流场测试手段——平面激光诱导荧光技术(PLIF),对斜叶桨搅拌反应器内的液相混合过程进行高精度定量可视化。对比了中心搅拌和3种不同偏心率下的偏心搅拌混合行为,引入参数混合均匀度和均匀混合时间定量描述测量平面的示踪剂浓度分布。研究发现,偏心搅拌过程由于破坏了流场的对称性,比中心搅拌能更快达到均匀混合。反应器内局部混合存在差异,偏心搅拌中不同监测点达到均匀混合时间差异较小,体现了偏心搅拌在液相混合中的优势。