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。     

脉冲射流-刚柔组合桨强化流体混沌混合及传质性能研究

传统搅拌反应器普遍使用刚性桨进行机械搅拌,导致反应器内容易产生混合隔离区而降低流体混合效率。采用多流场耦合诱发混沌现象,促使更多流体进入混沌状态,是提高流体混合效率的有效途径之一。结合Matlab软件编译PJ-RF-RT体系中的压力脉动信号得到最大Lyapunov指数(LLE)与多尺度熵(MSE),探究不同脉冲周期下占空比、桨型、柔性桨叶厚度、桨离底高度及脉冲空气射流量对搅拌反应器内流体混沌混合的影响,同时,对比分析了桨型、射流类型、气流量对体积氧传质系数KLa的影响。研究结果表明,在脉冲周期T=0.4 s,占空比D=80%时,RF-RT桨体系较R-RT桨体系的LLE增大了11.58%,且RF-RT体系的MSE显著高于R-RT桨体系,表明脉冲射流刚柔组合桨体系能更好地诱发流体混沌,增大流体混合效率,均化体系能量分布。此外,脉冲射流耦合RF-RT桨体系增强了流体的湍流特性,促使液膜厚度减小,强化了传质,在单位体积功耗Pv=360 W/m3时,PJ-RF-RT体系的KLa较PJ-R-RT提高了13.46%,PJ-R-RT体系的KLa较SJ-R-RT提高了11.86%。     

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。     

组合桨搅拌器的宏观混合特性

分别以浓度为１％，２％，３％，３．５％的羧甲基纤维素溶液为实验，采用测温法，测定了正交双层三角桨－单螺带桨，正交双层三角桨－内外单螺带桨．锚式桨－三叶推进器．锚式桨－内外单螺带４种组合桨拌器的宏观混合时间，无量钢数Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４综合评判了它们的宏观混合性能，实验证明，前２种组合桨搅拌器在不同流域内都使搅拌介质达到良好的宏观混合，且功率消耗低，混合效率高，具有明显的节能优势，对搅拌变粘度体系     

多层刚柔组合桨诱发流场界面失稳强化非牛顿流体混沌混合行为

传统多层刚性桨用于假塑性非牛顿流体混合搅拌死区较大,流场界面稳定,混合效率低。提出多层刚柔组合桨诱发流场界面失稳强化非牛顿流体混沌混合的方法。实验以羧甲基纤维素钠为非牛顿流体体系,通过扭矩传感器测量功率特性,酸碱中和脱色法测定混合时间,并利用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数,分析了非牛顿流体混合过程中的混沌特性及其混合性能。结果表明,组合方式为RF-(PBTD+PBTD+DT)、桨叶排列方式θ=60°、柔性片长度安装比例r=0.8、1.2时,混沌程度较高,混合性能较好。多层刚柔组合桨可以产生多股螺旋流,并在层间柔性片扰动频率差下实现流场界面失稳,搅拌死区减小,在较低转速下使体系进入混沌状态(多层刚柔组合桨体系N>88 r/min时LLE>0,多层刚性桨体系N>125 r/min时LLE>0);在相同转速下,多层刚柔组合桨混合速率、单位体积功率高于多层刚性桨,而单位体积混合能大致相同。     

刚柔组合搅拌桨强化流体混合的流固耦合行为

传统刚性搅拌桨通过对流体的剪切作用实现能量的传递,而刚柔组合搅拌桨可通过其多体运动行为强化能量传递。基于搅拌桨桨叶与流体之间的耦合运动作用,结合ANSYS Workbench仿真平台,采用双向流固耦合方法,模拟计算了刚性搅拌桨与刚柔组合搅拌桨桨叶的等效应力和总变形量,研究了流场的宏观结构;并通过测定混合时间和计算搅拌桨功耗对比分析了两种不同搅拌体系的混合行为。结果表明:刚柔组合搅拌桨使体系的混合时间缩短了近32%,搅拌桨功耗下降了7%,其桨叶尖端的变形量是刚性搅拌桨的10⁵倍,其应力比刚性搅拌桨增加了83%;与刚性搅拌桨相比,刚柔组合搅拌桨在流固耦合作用下对流体的作用力更大,能够更好地传递能量,增强流体运动,强化流体混合。     

长短叶片复合型刚柔桨强化搅拌槽内流体混沌混合行为

搅拌反应器中混合隔离区的存在是强化流体混合的主要障碍。打破搅拌槽中的对称性流场结构,破坏混合隔离区,可以提高流体混合效率。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),比较了不同桨叶类型、柔性片长度、柔性片数量和桨叶离底高度以及转速对流体混合的影响。结果表明,长短叶片复合型刚柔桨(RF-LSB)桨叶通过刚柔耦合错位连接,柔性片的形变与随机振动对流体的非稳态扰动,使流场结构不稳定性和不对称性增强,强化了流体混合效果。当柔性片数量为3,搅拌转速为90 r/min时,RF-LSB体系比刚性桨和刚柔桨体系的LLE值分别提高了20.22%和7.98%;三种体系[RF-LSB(柔性片数量为3)、刚性桨和刚柔桨体系]的混合时间(θm)与单位体积功耗(Pv)呈指数型关系,当Pv相同时,RF-LSB(柔性片数量为3)的θm最小,表明RF-LSB(柔性片数量为3)更有利于流体混沌混合。     

刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合

传统粉煤灰提铝工艺中酸浸搅拌槽均采用刚性搅拌桨。因刚性桨卷吸能力有限,导致固体颗粒易沉槽、流体混沌混合效率低。提出刚柔组合桨强化酸浸搅拌槽中固液混沌混合行为。实验基于固含率为30%的粉煤灰-自来水体系,研究了刚柔组合酸浸搅拌槽内混沌混合特性及能量耗散规律。采用扭矩传感器采集扭矩时间序列信号,借助Matlab软件编译计算混合过程中最大Lyapunov指数和多尺度熵等混沌特性参数,以单位体积功耗表征搅拌反应器的功率特性。实验考察了搅拌桨安装离底高度、柔性片长度、柔性片宽度等因素对酸浸槽内粉煤灰混沌混合的影响,对比了刚性桨与刚柔组合桨体系的能耗差异。研究结果表明:刚柔组合桨通过柔性片的作用,能增大搅拌桨的卷吸力,进而减少固体颗粒沉槽现象,促进全槽混沌混合;在最优化条件(120 r/min,搅拌桨安装离底高度为T/4,柔性片长度为1.2H1、柔性片宽度为D/8)下,体系最大Lyapunov指数达到最大值0.0645,各尺度下的MSE均比其他条件更大,表明刚柔组合桨能够通过柔性片的多体运动,强化体系混沌混合,均化体系能量分布;刚性桨与刚柔组合桨的单位体积功耗随着转速的增加呈现指数规律增长。     

刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合

传统粉煤灰提铝工艺中酸浸搅拌槽均采用刚性搅拌桨。因刚性桨卷吸能力有限，导致固体颗粒易沉槽、流体混沌混合效率低。提出刚柔组合桨强化酸浸搅拌槽中固液混沌混合行为。实验基于固含率为30%的粉煤灰-自来水体系，研究了刚柔组合酸浸搅拌槽内混沌混合特性及能量耗散规律。采用扭矩传感器采集扭矩时间序列信号，借助Matlab软件编译计算混合过程中最大Lyapunov指数和多尺度熵等混沌特性参数，以单位体积功耗表征搅拌反应器的功率特性。实验考察了搅拌桨安装离底高度、柔性片长度、柔性片宽度等因素对酸浸槽内粉煤灰混沌混合的影响，对比了刚性桨与刚柔组合桨体系的能耗差异。研究结果表明：刚柔组合桨通过柔性片的作用，能增大搅拌桨的卷吸力，进而减少固体颗粒沉槽现象，促进全槽混沌混合；在最优化条件（120 r/min，搅拌桨安装离底高度为T/4，柔性片长度为1.2H ₁、柔性片宽度为D/8）下，体系最大Lyapunov指数达到最大值0.0645，各尺度下的MSE均比其他条件更大，表明刚柔组合桨能够通过柔性片的多体运动，强化体系混沌混合，均化体系能量分布；刚性桨与刚柔组合桨的单位体积功耗随着转速的增加呈现指数规律增长。     

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。     

双轴异桨组合搅拌器混合特性及传热性能研究

以聚合反应器中存在的传热,传质问题为研究背景,设计了双螺带－斜叶双驱动变速搅拌器。在实验室基础上,探讨了这一搅拌器的流型、功率消耗、混合特性和传热性能,为该组合浆的开发应用奠定了基础。     

组合桨搅拌器搅拌特性的研究

为使聚合釜内搅拌介质在湍流、过渡流及层流域都能达到良好的混合,对锚－三叶推进器、锚－内外单螺带、正交双层三角桨－单螺带、正交双层三角桨－内外单螺带等４种组合桨搅拌器,于φ３００ｍｍ的有机玻璃釜中,测定了在牛顿流体和假塑性流体中的搅拌功率和循环特性。实验结果表明,４种组合桨中,含正交双层三角桨的２种组合桨功率消耗小,循环能力明显较强,具有较好的循环性能和剪切能力,能在粘度变化范围宽广的介质中获得良好的搅拌效果。假塑性流体（羧甲基纤维素水溶液）的过渡流域用ｌｎＮ_ｐ＝Ａ_１＋Ａ_２ｌｎＲｅ＋Ａ_３（ｌｎＲｅ）￣２关联式,功率值精度高。     

微波-刚柔组合桨强化软锰矿浸出实验研究

用黄铁矿-硫酸还原浸出软锰矿过程中存在锰浸出率低、硫转化不完全等问题,本研究将微波-刚柔组合桨作为强化手段应用于软锰矿的还原浸出过程,结果表明：在反应温度90℃,硫酸浓度1.5mol/L、黄铁矿与软锰矿质量比0.2、液固比10、微波功率550W、搅拌速率250r/min条件下反应180min,浸出率可达到91.64%。该工艺可以有效减少反应中硫单质的生成,提高浸出效率。     

双层刚柔组合搅拌桨调控流体宏观不稳定性行为

流体宏观不稳定性是搅拌槽内流体流动存在大尺度低频非稳态准周期现象,可以影响流体的能量﹑质量的传递行为。为揭示在双层组合桨作用下搅拌槽内流体的非稳态流动规律,实验采用频谱分析和流场可视化技术研究双层组合桨搅拌槽内自来水体系的宏观不稳定性,对比分析了双层刚性桨和双层组合桨对流体混合的影响。结果表明:直径为T的搅拌槽内流体宏观不稳定频率与转速呈线性增大趋势,在转速为180 r·min^-1时离底距离 0.25T刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率消失,出现谱带现象,流场呈现多尺度结构特征,而离底距离为0.33T和0.5T的刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率分别为0.5096 Hz和0.3459 Hz。双层组合桨体系分别使流体的混合时间缩短了22.5%和35%左右,减小离底距离,可使流场的规则区减小。双层刚柔组合桨调控流体宏观不稳定性,强化流体的能量传递行为,从而缩短混合时间,提高了流体的混合效率。     

刚柔组合搅拌桨增强混合澄清槽内流体宏观不稳定性

流体宏观不稳定性可以反映流体轴向能量和质量的传递行为。为揭示刚柔组合搅拌桨（简称柔性桨）作用下混合澄清槽中油水液-液两相非稳态流动规律,采用频谱分析和小波分析组合法研究混合澄清槽内宏观不稳定性,并进行模拟验证。研究表明,柔性桨在转速低于250 r·min^-1时,流体宏观不稳定频率与转速呈线性关系,而转速超过250 r·min^-1,流体因界面卷吸行为吸入空气,宏观不稳定频率谱图呈现功率谱带,流场结构呈多尺度结构特征,流体宏观不稳定频率消失,液-液混合体系出现明显的乳化现象。与刚性桨相比柔性桨能增强宏观不稳定性,提高流体混合效率,强化能量传递行为。计算模拟发现,柔性桨能明显提高桨叶的抽吸能力,增强流体轴向运动的行为,避免流体过度搅拌,有利于流体澄清。     

穿流-刚柔组合桨强化固液两相的悬浮行为

采用双向流固耦合计算方法对搅拌槽内刚性桨(RDT-PBDT)、刚性组合桨(R-RDT-PBDT)、刚柔组合桨(RF-RDT-PBDT)、穿流-刚性组合桨(PR-RDT-PBDT)以及穿流-刚柔组合桨(PRF-RDT-PBDT)体系中的固液两相悬浮特性和桨叶总变形量、等效应力进行了研究。结果表明,在相同功耗下,PRF-RDT-PBDT的最大变形量分别是RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT、PR-RDT-PBDT的1.984×106倍、1.247×103倍、1.169倍、1.041×103倍。PRF-RDT-PBDT的应力大于RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT的,比PR-RDT-PBDT的应力分布更均匀。PRF-RDT-PBDT体系的固体颗粒最大Uz/Utip值和最大ε/D2N 3值分别比RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT和PR-RDT-PBDT体系提高了53.08%和80.84%,38.03%和28.42%,22.14%和20.16%,10.85%和5.725%。PRF-RDT-PBDT能够增大与流体之间的相互耦合作用,增大固体颗粒的轴向速度,提高体系的湍动能耗散率,减小搅拌槽底部固体颗粒的堆积程度,提高固体颗粒的悬浮程度。     

穿流-刚柔组合桨强化固液两相的悬浮行为

采用双向流固耦合计算方法对搅拌槽内刚性桨（RDT-PBDT）、刚性组合桨（R-RDT-PBDT）、刚柔组合桨（RF-RDT-PBDT）、穿流-刚性组合桨（PR-RDT-PBDT）以及穿流-刚柔组合桨（PRF-RDT-PBDT）体系中的固液两相悬浮特性和桨叶总变形量、等效应力进行了研究。结果表明,在相同功耗下,PRF-RDT-PBDT的最大变形量分别是RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT、PR-RDT-PBDT的1.984×10⁶倍、1.247×10³倍、1.169倍、1.041×10³倍。PRF-RDT-PBDT的应力大于RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT的,比PR-RDT-PBDT的应力分布更均匀。PRF-RDT-PBDT体系的固体颗粒最大U_z/U_tip值和最大ε/D²N³值分别比RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT和PR-RDT-PBDT体系提高了53.08%和80.84%,38.03%和28.42%,22.14%和20.16%,10.85%和5.725%。PRF-RDT-PBDT能够增大与流体之间的相互耦合作用,增大固体颗粒的轴向速度,提高体系的湍动能耗散率,减小搅拌槽底部固体颗粒的堆积程度,提高固体颗粒的悬浮程度。     

穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合

运用LabView和Matlab软件分别采集和处理穿流式刚-柔组合搅拌桨扰动澄清槽中油-水两相流体内部的压力脉动信号,得出的最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）,反映流体内部的混沌程度;同时采用流场可视化技术观测流体混合状态。结果表明,相比于刚性组合桨,穿流式刚-柔组合搅拌桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用改变流场的结构和能量耗散方式,使流体的混沌程度和混合状态都优于刚性组合桨。当转速为88 r·min^-1时,流体的混沌混合都达到最佳状态,各实验条件下的LLE均大于零,表明流场混合体系已进入混沌状态,且穿流式刚-柔组合搅拌桨体系的MSE明显高于刚性组合桨体系,说明穿流式刚-柔组合搅拌桨的混合效果优于刚性组合桨。另外,柔性片上穿流孔的数目和柔性桨叶的厚度对流场的混沌特性也有明显的影响。     

穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合

运用Lab View和Matlab软件分别采集和处理穿流式刚-柔组合搅拌桨扰动澄清槽中油-水两相流体内部的压力脉动信号,得出的最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),反映流体内部的混沌程度;同时采用流场可视化技术观测流体混合状态。结果表明,相比于刚性组合桨,穿流式刚-柔组合搅拌桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用改变流场的结构和能量耗散方式,使流体的混沌程度和混合状态都优于刚性组合桨。当转速为88 r·min-1时,流体的混沌混合都达到最佳状态,各实验条件下的LLE均大于零,表明流场混合体系已进入混沌状态,且穿流式刚-柔组合搅拌桨体系的MSE明显高于刚性组合桨体系,说明穿流式刚-柔组合搅拌桨的混合效果优于刚性组合桨。另外,柔性片上穿流孔的数目和柔性桨叶的厚度对流场的混沌特性也有明显的影响。