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。     

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。     

双层桨搅拌槽内部流场的实验研究

运用计算流体动力学（CFD）方法对双层桨搅拌槽内部流场进行数值模拟。考察了流体在不同桨叶类型、不同桨叶间距对搅拌槽内宏观流动场的影响。研究发现：流体在桨叶间距为150 mm的双层桨内部流场流动效果好。在此间距的基础上得出流体在六圆盘上斜叶桨的搅拌槽内比六圆盘直叶桨搅拌槽内混合效果好。     

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。     

双层翼型桨搅拌槽内流动特性的PIV研究

在直径0.476 m的搅拌槽内,采用粒子图像测速技术对双层三叶CBY翼型桨搅拌槽内的流场进行了研究,考察了层间距、浸没深度和离底高度等参数对流场分布的影响. 结果表明,层间距H2≤0.6T(T为搅拌槽直径)时,槽内可形成整体的轴向循环流动,H2≥0.7T时槽内将产生分区流动现象. 浸没深度对桨叶排出流区域的速度影响很小. 降低下层桨的离底高度能加强下层桨的径向流动,并增大上层桨叶轮区和循环区流体的轴向流动.     

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。     

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。     

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（θ_m）与单位体积功耗（P_v）呈指数型关系,当P_v相同时,RF-LSB（柔性片数量为3）的θ_m最小,表明RF-LSB（柔性片数量为3）更有利于流体混沌混合。     

偏心空气射流双层桨搅拌反应器流场结构的分形特征

搅拌槽内流场分为混沌混合区和隔离区。为提高搅拌槽内流体的混合效率、降低搅拌过程的能耗,调控流场结构特征是重要的途径。结合图像处理软件,实验研究了偏心空气射流双层桨搅拌槽内空气-水体系的流场结构分形维数的变化规律。实验结果表明,流场结构分形维数受搅拌转速和空气流速的共同作用;偏心空气射流能改变流场结构分形维数,使流体混沌混合特性增强;机械搅拌转速增大,能改变射流场的拟序结构,提高气液混合效率。     

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。     

湿法磷酸固-液体系混沌混合与浸出强化行为

湿法磷酸浸出过程中，传统刚性搅拌桨的作用方式主要是剪切作用，容易形成对称性流场结构，降低搅拌效率。实验考察了桨叶类型、离底高度、搅拌速度、柔性钢丝绳长度、柔性钢丝直径对磷矿浸出率及最大Lyapunov指数(LLE)的影响。实验结果表明：刚柔组合桨通过刚-柔-流的耦合作用，改善流场的结构，提高了流体混沌混合效果。当搅拌转速225 r/min，浸出时间120 min，离底高度h=T/4，柔性钢丝绳直径d= 0.42r，柔性钢丝绳长度L=1.3T时，刚柔组合桨的最大Lyapunov指数达到0.09071，磷矿浸出率提高了10.8%。另外，在相同的功耗(P _v=9890 W/m³)条件下，刚柔组合桨使反应器内的悬浮均匀度和渣中磷含量分别降低了40.8%和17.67%，有效地改善了晶体的形貌，提高了磷石膏的过滤性能，强化了颗粒的混合与浸出。     

Non-invasive mixing time estimation in unbaffled stirred tank: An ultrasonic approach

Estimation of mixing time is an essential aspect in characterization of stirred tanks. In this work, we report a novel, non-invasive technique to estimate mixing time in an unbaffled stirred tank using a contact type ultrasonic sensor. Variation in speed of sound in stirred tank is measured by ultrasound and is used to determine the mixing time of solutions. A sensing time of 16.6 ms (~60 Hz) is achieved which leads to an estimation of the mixing process dynamics under forced vortex conditions. The method is validated against colorimetric technique using a dye. The technique is thereafter used to determine mixing time under different operating (impeller speed) and geometrical (impeller design, vessel diameter, and off-bottom clearance) conditions. Though the results presented are specific to unbaffled stirred tank, the method reported is general and can be used in any kind of stirred tank.     

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。     

Effect of operating factors on liquid–liquid mass transfer and dispersion pattern of sedimentary liquid in a mechanically stirred vessel

Liquid–liquid dispersion and mass transfer were investigated in mechanically stirred vessels without baffles by changing operation factors such as an impeller rotation speed, off-bottom clearance, volumetric liquid ratio, etc. The dispersion regime was categorized into five groups: the sedimentary liquid was kept at the vessel bottom (I), partially elevated without any collision (II), partially dispersed by colliding with the impeller bottom (III), both liquids were partially dispersed by collisions with impeller blades (III’), and the sedimentary liquid was completely dispersed (IV). The dispersion switched to I → II → III → IV with the increasing rotation speed and decreasing off-bottom clearance. The liquid–liquid mass transfer rate was significantly enhanced with the collision of the sedimentary liquid with the impeller bottom, and subsequently increased with the increasing rotation speed, volumetric liquid ratio, and vessel diameter and with the decreasing off-bottom clearance. A multiple regression analysis method was applied to determine the mass transfer rates of III and III’.     

Enhancement of liquid–liquid mixing in a mixer-settler by a double rigid-flexible combination impeller

Mixing is crucial in the dispersion of two immiscible fluids. The rational design of an impeller is necessary to form suitable flow conditions and improve fluid mixing efficiency. A double rigid-flexible combination impeller was designed by connecting the upper and lower rigid impeller blades with flexible pieces. Experimental measurements were performed in a laboratory-scale mixer-settler under different impeller types. The largest Lyapunov exponent (LLE) and multi-scale entropy (MSE) were investigated using Matlab. Results showed that the double rigid-flexible combination impeller enhanced liquid–liquid mixing in the mixer-settler through the multiple-body motion behavior triggered by the swings of flexible pieces. At the optimum mixing point of each impeller, the LLEs of the double impeller, double rigid combination impeller, and double rigid-flexible combination impeller were 0.018, 0.055, and 0.057, respectively. At 75 rpm, the MSE of the combination impellers was obviously greater than that of the double impeller, and the rigid-flexible combination impeller had larger MSE than the double rigid combination impeller. The mixing efficiency of the rigid-flexible combination impeller increased with increasing width and quantity of the flexible piece. The quantity of rigid blade slice also influenced the enhancement of mixing ability. The double rigid-flexible combination impeller intensified the chaotic mixing of the two-phase fluid by changing the flow field structure and energy dissipation mode, ultimately achieving an efficient-mixing operation.     

刚柔组合搅拌桨与刚性桨调控流场结构的对比

高黏度流体处于层流状态时,普遍存在的混合隔离区,降低了流体的混合效率。减小或消除隔离区,是实现流体高效混合的基本途径。采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对刚性六直叶涡轮桨（刚性桨）和刚柔组合六直叶涡轮桨（组合桨）的流场结构进行研究,对比分析了两种桨叶在相同功耗（3 kW·m^-3）时的轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布散点图。结果表明,刚性桨的能量集中在桨叶尖端部分,远离桨叶区域的流体速度很小甚至为0 m·s^-1;而组合桨可将能量从桨叶尖端扩散至全槽,使槽内流体均具有一定的流速,提高了混合效率,且显色实验与数值模拟结果一致,组合桨体系的混合隔离区在短时间内就可消除,混合良好,而刚性桨体系的混合隔离区始终存在,混合效果不佳。