SK型静态混合器出口速度特性研究

以SK型静态混合器为研究对象,运用激光多普勒测速仪对混合管出口速度进行测量。结果表明,流体离开混合元件后,混合元件作用于流体形成的旋涡还将维持一段距离,在离开混合管出口约3/8~3/4元件长度后才完全消失,在此之前对径向混合仍有一定强化作用;而混合元件对流体湍动的强化作用在流体离开混合元件后能持续更长距离,脉动均方根与湍流强度在离混合管出口一个混合元件长度范围内衰减较快,而后逐渐减缓,在离混合管出口4~5倍混合元件长度后才恢复到入口水平;速度脉动均方根在轴向与径向上衰减较快而在切向上衰减相对缓慢。     

SK型静态混合器湍流速度脉动特性

以SK型静态混合器为研究对象,运用激光多普勒测速仪对管内的速度脉动进行测量。结果表明:湍流时在第1个元件内的轴向速度脉动较小,进入第2个混合元件后轴向脉动均方根可达平均流速的0.5—0.7倍且基本达到稳态;每个元件的入口有1个均方根可达到0.8—1.0倍平均流速的轴向速度脉动尖峰;流体离开混合元件后,各个方向上的速度脉动都迅速衰减,经过1个混合元件长度后脉动速度均方根衰减到平均流速的0.3倍左右,流过4—5个混合元件长度后基本衰减到混合器入口处的速度脉动水平。     

新型静态混合器湍流特性数值模拟

结合新型静态混合器的结构特点,利用CFD软件采用标准的k-ε湍流模型对新型静态混合器内的湍流状态下的三维不可压缩流场进行数值模拟。通过研究新型静态混合器脉动速度分布的对称性及其间歇性发现:新型静态混合器内3个方向速度分量的偏斜因子和平坦因子分布具有周期性;x和z2个方向的速度概率密度分布存在较小不对称性且其平坦因子数值在2.3—5.7变化,径向偏斜因子的数量级均较轴向小1个数量级。采用新的数据处理方法计算和分析得到了不同长径比下新型静态混合器湍流流动阻力统一特性曲线及其关联式。     

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。     

SK型静态混合器流体湍流阻力的研究

为了获得流体在SK型静态混合器中湍流流动时的流动阻力规律,提出一种新的流体阻力的计算模型。在流体不可压缩的假设前提下,将流体在SK型静态混合器中的螺旋形运动分解成轴向直线运动和环向旋转运动。在流体作湍流流动时,运用流体力学理论,分别求解出流体作2种运动时所产生的流体阻力的计算式,然后进行叠加得到SK型静态混合器湍流时流体阻力理论计算式。以水为实验介质,对SK型静态混合器流体湍流阻力进行了实验测量,回归出实验公式。与理论结论进行比较分析,得出流动摩擦系数与雷诺数的负0.25次幂呈线性关系的结论。     

SK型静态混合器流体湍流时传热性能的研究

为了获得SK型静态混合器的传热性能,将不可压缩流体在静态混合器中的螺旋形运动分解成直线运动和旋转运动,依据普兰特-台劳模型运用传热学的理论分别求解两种运动端流情况下的传热效率,进行叠加后得到SK型静态混合器湍流时努塞尔特准数理论计算式,再考虑到推导过程中的各种近似而用修正系数加以修正.以水为实验介质对SK型静态混合管的传热性能进行了实验测量,在一定的雷诺准数和普兰特准数范围内测得努塞尔特准数理论计算式的修正系数.     

SD型静态混合器压力降的特性分析

借助计算流体力学软件FLUENT5/6,对含有3个流道的螺旋式静态混合器在不同的长宽比和雷诺数下的流动特性进行了数值模拟。模拟结果表明,当螺旋片长宽比为4∶1时该混合器压力降与雷诺数的1.715次方成正比;当雷诺数一定时,压力降与混合元件单元数在双对数坐标下成线性分布规律;压力降随着螺旋叶片长宽比的减小而增大;该混合器的压力降与对应结构的SK型静态混合器基本相同,大约是相同直径和管长的光滑空管压力降的10倍。     

混合元件数对SK型静态混合器流场特性的影响

以SK型静态混合器为对象,运用激光多普勒测速仪对混合器内流场进行测量分析,研究混合元件数对混合器内速度分布和湍动性能影响。结果表明：在扭旋叶片作用下,流体在混合器内的速度会重新分布,湍动会被强化,这一过程主要在前3个混合元件中实现,且湍动逐渐增加,但增加速度逐渐减弱,第1个混合元件强化作用最为显著,进入第4个混合元件后基本达到稳定;当混合叶片数量超过3个以后,对流体湍动的强化基本达到混合器强化能力的极限,继续增加元件数量不能提高流体的湍动程度,但可以维持这种湍动。     

旋流静态混合器内瞬态压力的混沌动力结构突变特性

为更好地揭示旋流静态混合器内竖直上升螺旋流中混沌动力结构突变规律,在湍流状态下(Re=1756~3512),基于动力指数分割算法,分析了混合器内不同区域的压力脉动时间序列在结构突变点左右两部分的动力学结构指数分布,研究了流量变化对压力波动时间序列的混沌动力学结构指数的影响,并利用动力学指数的最大统计值Tmax定量表征旋流静态混合器内复杂流动的混沌突变特性. 结果表明,当Re≤2107时,静态混合器压力波动信号的平均突变统计指数随Re增加而增大;当Re≥2458时,管壁尺寸对流体湍动约束增强使流体动力结构差异趋于稳定. 径向二次流使漩涡中心处的动力结构差异复杂程度是壁面处的2~3倍;轴向切割分流作用产生的动力结构是移位混合作用的8~10倍. 瞬态压力波动信号的动力学指数模型能较好地挖掘旋流静态混合器内流场瞬时突变结构.     

SV型静态混合器湍流阻力的初步研究

为了获得流体在SV型静态混合器中湍流流动时的流动阻力规律,提出一种新的含有SV型静态混合器重要几何结构参数的流体阻力计算模型。对于不可压缩流体,将其在SV型静态混合器中的运动分解成沿管壁与轴线方向平行和沿混合元件凹槽方向的直线运动。运用流体力学理论,分别求解出流体作2种运动时所产生的湍流流体阻力的计算式,并计入相邻混合元件交接部分的局部阻力,然后进行叠加得到流体阻力理论计算式。以水为实验介质,对SV型静态混合器流体湍流阻力进行了实验测量,与理论结论进行比较分析,得出摩擦因子λ与Re-0.2呈线性关系的结论。     

幂律流体在Kenics型静态混合器中流动特性分析

为了探究Kenics型静态混合器内扭旋叶片剪切作用对幂律流体流动的影响,利用旋转流变仪测量了浓度为0.5wt%, 0.7wt%, 0.9wt%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液的流变参数,采用数值模拟与实验研究了扭旋叶片作用下幂律流体流动阻力和剪切稀化特性。对流场研究表明,扭旋叶片诱导产生了内流涡旋、绕流涡旋和近壁面涡旋,有效强化了静态混合器内流体流动的剪切作用。受多个纵向涡旋分布的影响,扭旋叶片局域流场中周向45°位置速度最高,周向30°位置涡量与剪切应力最高而黏度最低。径向0.4倍半径位置速度最高,0.7倍半径位置黏度最高。静态混合器有效提高了流体的二次流流动速度和剪切应力,降低了幂律流体的黏度和流动阻力系数。     

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。     

A general correlation for pressure drop in a Kenics static mixer

A new pressure drop correlation in a Kenics static mixer has been developed. Pressure drop data were generated from computational fluid dynamics (CFD) calculations, avoiding the experimental limitations in obtaining comprehensive data enough for developing a reliable pressure drop correlation. Dimensional analysis reveals that the pressure drop characteristic of the Kenics static mixer can be described by three dimensionless groups, i.e., the friction factor, Reynolds number (Re), and aspect ratio of a mixing element (AR). A systematic graphical analysis led to a single master curve governing the pressure drop behavior of the Kenics static mixer, which had never been achieved before. We derived a pressure drop correlation fitting well with the obtained master curve in a general form into which the AR effect on the pressure drop is directly incorporated. Unlike the already existing correlations available in the literature, the correlation proposed in this study can cover the whole range of Re from laminar to turbulence. The reliability of the proposed correlation was validated by the comparison with various pressure drop data reported in the literature.     

Computational-fluid-dynamics study of a Kenics static mixer as a heat exchanger for supercritical carbon dioxide

The thermal efficiency of a Kenics^® KM static mixer used to pre-heat supercritical carbon dioxide, under high pressure conditions, is studied using computational fluid dynamics (CFD). A mesh sensitivity analysis is performed and the CFD model is validated against experimental results on heat transfer with conventional and supercritical fluids. Three turbulent models - standard k-?, RNG k-?, and k-ω - are employed to model the flow and heat transfer under high pressure conditions; the effects of large variations of the physical properties in the pseudo-critical region of the fluid are also studied. The RNG k-? model gives results that are closer to the experimental data than the other two turbulence models. The numerical results show that the static mixer has a thermal efficiency more than three times higher than that of a conventional empty pipe heat exchanger with similar heat transfer area.     

Liquid phase residence time distribution for gas–liquid flow in Kenics static mixer

The residence time distribution (RTD) of the liquid phase for co-current gas–liquid upflow in a Kenics static mixer (KSM) with air/water and air/non-Newtonian fluid systems was investigated. The effect of liquid and gas superficial velocities on liquid holdup and Peclet number was studied. Experiments were conducted in three KSMs of diameter 2.54 cm with 16 elements and 5.08 cm diameter with 8 and 16 elements, respectively, of constant L_e/D_e = 1.5 for different liquid and gas velocities. A correlation was developed for Peclet number, in terms of generalized liquid Reynolds number, gas Froude number and liquid Galileo number, where as for liquid holdup, a correlation was developed as a function of gas Reynolds number. The axial dispersion model was found to be in good agreement with the experimental data.     

Kenics型静态混合器内分散相液滴破碎和聚结过程的CFD-PBM数值模拟

采用CFD-PBM耦合方法对Kenics型静态混合器内分散相油滴破碎及聚并行为进行数值模拟研究,分析了雷诺数、混合元件数、元件长径比等参数对分散相液滴粒径的影响,揭示了分散相在Kenics静态混合器内流动过程中液滴粒径的演化规律.结果表明,随雷诺数增大,分散相液滴出口粒径不断减小,并出现临界趋势;静态混合器的前几个元件...