Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明：SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。     

Lightnin静态混合器内气泡分散流体动力学特性实验研究

以Lightnin静态混合器（LSM）内水-空气气液两相体系为研究对象,在连续相水表观速度U_L=0.071~0.127 m/s和离散相空气表观速度U_G=0.007~0.042 m/s的条件下,研究内径100 mm的LSM内气液两相湍流流动阻力与气泡分散水动力学行为。使用分辨率为1920×1080的高速相机Revealer-2F04M采集混合器内不同轴向窗口的气泡群演化过程。结果表明：当U_L<0.085 m/s和U_G=0.025~0.042 m/s时,LSM内的流型为泡状流。随着气泡群流经混合元件数的增加,气泡群的Sauter平均直径d₃₂逐渐减小。当液体表观速度U_L≤0.085 m/s时,Sauter平均直径d₃₂随气体表观速度的增加先减小后增大;U_G =0.028 m/s时d₃₂达到局部最小值,53%的气泡直径d_B/D₀在0.02~0.05范围内。Sauter平均直径、内径与无量纲停留时间τ之间的关系满足d₃₂/D₀=0.031τ^-0.14We^-0.41。平均气含率α的增大显著增加了单位体积内气泡数量密度,加剧气泡与元件表面碰撞频率,增大旋涡二次流强度,导致摩擦系数显著降低;采用Lockhart-Martinelli方法对实验数据回归,得到气液两相流压降预测常数C的关联式：C=5.26×10⁵U_G^-0.91/Re^0.74。     

ANSYS在结构拓扑优化设计中的应用

计算机技术的迅猛发展带动了优化设计方法的变更。从理论上说明了拓扑优化的数学模型,结合一设计优化实例,介绍了ANSYS优化设计的思想及步骤,为使用者提供了一套系统的思维模式,创造了良好的条件和方法。     

新型静态混合器流动阻力特性数值研究

基于微尺度流动特征利用CFD软件,研究新型静态混合器内部流动阻力特性.从轴截面速度矢量图中可以看到,新型静态混合器内部存在同混合元件组的旋向相反的自旋流动;利用量纲分析和π定理简化了新型静态混合器流动阻力的影响因素之间的关系式,通过数据整理和回归得到了普遍适用的流动阻力摩擦系数关联式,为其工业化应用提供了理论依据.     

循环射流混合槽内液液两相混合特性数值模拟

循环射流混合槽作为一种高效的混合装置在化工过程强化处理技术中具有潜在的工业应用前景。由于缺乏对其内多相体系流动和混合行为的研究,制约了循环射流混合反应器的优化设计与工业化应用。本文选取水和二甲基硅油两相体系,采用计算流体力学软件ANSYS Fluent V16.1中Eulerian-Eulerian多相流模型和SST k-?湍流模型,对两种不同加料方式下循环射流混合槽内液液两相射流中心线速度、离析强度、拉伸率等参数进行研究。研究结果表明：分散相浓度（α_d）增大射流卷吸能耗增大,在l/s<0.4内α_d=1.80%和2.86%量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与α_d=6.00%相比减弱51%和21%;在低分散相浓度时,量纲为1的射流中心线速度随Re的增大衰减趋势变化小,在l/s<0.24内Re=6346、9519和12692量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与Re=3173相比分别减弱2.60%、2.87%和12.69%。离析强度随混合时间的增大而减小,随周向角度增大呈W形变化趋势。在相含率和雷诺数相同时,对称球状较圆柱状加料达到混合时间减少65.5%;不同喷嘴之间的拉伸率随迹线长度的增大而增大,jet1和jet9位置处的拉伸率与其余喷嘴相比较大;相同喷嘴之间拉伸率随Re的增大而增大,Re=6346、9519和12692的拉伸率与Re=3173相比分别提高289%~320%、418%~454%和607%~667%。     

非牛顿流体在叶片式静态混合器中的传热强化特性

非牛顿流体在化学、食品和材料等领域具有关键作用,但高表观黏度使其通常具有低传热特性。叶片式静态混合器作为一种高效的传热强化设备,在化工过程强化中具有鲜明的技术特色。本文针对非牛顿流体在Kenics静态混合器（KSM）和Lightnin静态混合器（LSM）内的流动和传热特性进行了比较研究。重点分析了体积流量、元件长径比及流体浓度等参数对羧甲基纤维素（CMC）幂律流体的流动及传热影响。结果表明,在相同工况下,随着CMC溶液的体积流量增大,管道内的换热系数和压降均增大。静态混合元件的插入使得换热系数和压降显著提高且Lightnin元件产生的影响更明显。元件长径比和CMC溶液浓度影响流体在管道内的流动和换热。随着长径比的减小,传热性能得到提高,但其增大的阻力系数影响占据主导地位,综合换热性能系数（PEC）降低。溶液浓度的增大使得管道换热能力逐步削弱,并对管道内压降的提升有显著影响,综合换热性能降低。总结得出,在体积流量为4.5×10-4m3/s,质量分数为0.374%、长径比为3.0时,KSM的PEC最大为2.114。     

SK型静态混合器壁压脉动信号的多尺度多分形特性

为了探讨静态混合器内非线性、非均匀性和混沌特性机理,利用高速数据采集系统对SK型静态混合器管壁处脉动压力进行测量。结合小波变换模极大值理论,对采集的不同进口流量下壁压波动时间序列用Daubechies二阶小波提取1～7尺度下的特征信号,并分别对提取的信号进行R/S分析。通过对压力波动信号不同尺度下的细节信号与概貌信号研究,发现在不同尺度下其表现出不同的分形结构,且随着进口流量的增大,分形结构的变化趋势基本一致。此外,该系统不仅存在确定性非周期成分,而且不同尺度的旋涡之间的能量交换导致混沌的产生。各尺度信号的能量分布表明,压力波动信号主要体现了宏观尺度的旋涡级串的相互作用。     

循环射流混合槽内压力脉动时间序列多尺度分析

为探讨循环射流混合槽(Circulating jet tank,CJT)内瞬态压力脉动的复杂性特性,采用动态数据采集系统对射流混合区内不同轴向、径向和周向位置的压力脉动信号(Pressure fluctuation signal,PFS)进行测量。根据PFS的标准差、峰度和偏度分布,优化PFS序列最佳样本数i=110 000。基于有限统计复杂性,比较综合法、动态法和静态法等三种时间序列符号化方法,得出综合法比动态法和静态法的适应性强,并确定最佳小波分解尺度。对CJT内各尺度的PFS进行有限统计复杂性和复杂度分析,发现CJT内PFS的两种复杂性分布趋势相似。通过对PFS多尺度分析发现:随着分解尺度的增加,复杂度先急剧衰减后趋于平稳,表明CJT内PFS随机性减弱周期性增强;PFS分解得到0~0.98 Hz低频A10尺度概貌信号的复杂度趋于0,揭示CJT内动力系统为整体稳定、局部不稳定的多尺度结构。     

循环射流混合槽内湍流强化传热数值模拟及射流层优化

循环射流混合槽(CJT)作为一种过程强化设备可以提高湍流的混合效率及反应选择性。为进一步提高其工业应用价值,对循环射流混合槽流场的传热能力进行分析并对其射流层数进行结构优化。在恒壁温的条件下,采用SST k-ω模型分析循环射流混合槽流场区域的非稳态流动传热特性。在充分湍流状态下研究了Re=3260~16 303,射流层数M=5~9对循环射流混合槽壁面对流传热特性及流场传热特性的影响。结果表明,M=9时对流换热系数的变异系数Ch随Re增加而减少,壁面传热均匀性提高2.8%~19.3%;流场与温度场协同性随Re增加而增加,Re=16 303时的协同角为75.5o比Re=3260时减小约0.5°。Re=9782时Ch随M增加而降低,壁面传热均匀性提高2.7%~16.3%;速度矢量与温度梯度协同性随M增加而减小,M=9时全局协同性相较于M=5时降低了6.1%。当M=7时中心混合区与射流混合区的场协同角均在73°~74°之间,两区域流场间热量传递能力匹配程度较好;当M<7时中心混合区的协同性优于射流混合区,当M>7时射流混合区协同性优于中心混合区。研究Re及射流层数M对循环射流混合槽热量吸收和传递性能的影响,发现Re的变化对循环射流混合槽吸热量的影响大于射流层数M的变化。     

高黏度流体在SK型静态混合器内的流动特性

根据流体动力学、非线性动力学及Ottino理论,建立了高黏度流体在SK型静态混合器内的流体流动改进模型,分析二维Navier-Stokes方程基于双极坐标系下流函数形式的边值问题并建立了相应的流体微分运动方程。用Poincare映射方法对静态混合器内的蠕动流的动力学行为进行了数值仿真研究。给出了系统响应随管壁转动角频率变化的分岔图、最大Lyapunov指数曲线图、典型的Poincare截面图和相图。结论表明:高黏度流体在SK型静态混合器内轴截面的径向流动存在混沌特性。