锚式搅拌槽中高粘弹性流体的流速分布及其功率消耗

用照相法测定了锚式搅拌槽中高粘弹性流体的流型和流速分布,另测定了搅拌功率消耗,结果发现:1.与牛顿流体相比,在低Re数下,粘弹性流体的切向速度较大,而径向速度则较小.2.转速相同时,在高剪切率区域,粘弹性流体的剪切率大于牛顿流体.由CEF方程导出功率计算式N_pRe_af_s~(1-n)=k_pf_vf_s~2[1+F_1avf_s~(m-n-3)Wi/K_s~2]用实验数据确定f_(?)和F_(1av),得到可适用于牛顿流体、假塑性流体和粘弹性流体的普适功率计算式,计算结果与实验值比较接近.     

螺带桨叶在粘弹性流体中的搅拌功率

本文研究了层流区内外单螺带-锚、四螺带-锚桨叶在粘弹性流体中的搅拌功率消耗。与牛顿型流体比较结果表明,流体的弹性对搅拌功率有较大的影响。Boger流体较牛顿型流体的功率消耗大50％以上。 本文采用了广义二阶流体本构方程导出搅拌功率计算式: 用实验数据确定f_3和F_(1av)~*,得到了适用于牛顿型流体、假塑性流体和粘弹性流体的功率计算式。计算结果与实验值比较接近。     

粘弹性流体在槽式反应器中的流动 功耗和混合

提出了粘弹性流体适于化工传递过程研究的流变模型和无量纲数,即Re~*=d~2Np/η_α,W_i=σ_1N/η_α,N_(VR)=σ_2/σ_1和r=W_i/Re~*。对比了牛顿流体、假塑性流体和粘弹性流体在数种搅拌器下的流型、流速分布、功耗和混合时间,并提出了适用于这三种流体的搅拌功率关联式: N_pRe~*f_s~(1-m)=K_p[1+(F_(1av)~*/k_s~2)f_s~((1-m-3)W_i]     

特型螺带桨叶在高粘弹性和非弹性流体中的搅拌功率

本文研究了层流区域有较大叶片截面积的特型双螺带──锚桨叶在高粘弹性和非弹性流体中的搅拌功率，测定了Ｋ_ｐ和Ｋ_ｓ，采用广义二阶流体本构方程导出搅拌功率计算式参数ｆ_ｓ和Ｆ_（１ａｃ）由实验数据确定。该式适用于牛顿型流体、假塑性和粘弹性流体的功率消耗计算。     

双轴表面更新型搅拌釜中高粘牛顿流体与非牛顿流体的功耗

实验测定了双轴表面更新型卧式釜中采用三种不同形式的搅拌桨、多种桨间距、广泛的粘度范围内牛顿流体和非牛顿流体的功率特性;统一关联了牛顿流体与非牛顿流体的搅拌功耗,得到:N_PRe=C(l/D_f)~(-1)(V_L/V~*)~D式中的C、D是搅拌桨的结构参数.实验结果还表明,该装置的Metzner常数是转速的函数.     

螺带式搅拌器的功率消耗

对高粘度牛顿流体和非牛顿流体,在层流域测定了多种几何结构的螺带-锚搅拌器的功率消耗和Metzner常数K_(so)用回归分析方法,分别把Kp(N_p·Re)、K_(?)与搅拌器的几何参数和特性参数进行关联,得到:对底部没有锚的螺带搅拌器,由本实验和文献数据得到:结果还证实了螺带搅拌器的功率消耗与螺带高度不成正比.K_(?)与C_(3)进行关联是一种可行的方法.所得计算式能较准确地预测螺带式搅拌器在搅拌牛顿流体和非牛顿流体时的功率消耗和K_8值.     

非牛顿流体在搅拌槽中的传热(下)

三、非牛顿流体在搅拌槽中的传热 1.两种常用的关联方法 牛顿流体和非牛顿流体在搅拌槽中的传热机理基本上是相同的。对非牛顿流体来说,关键在于如何处理式(1)中的Re、Pr和η_b/η_w三者中的粘度值,以使牛顿流体和非牛顿流体可用统一的关联式来关联。由于搅拌功率一股用准数方程式N_p=K_p/Re~x来关联,对于关联非牛顿流体的搅拌功率,研究     

螺带桨搅拌槽内给热系数和所需功率的研究

本文详细研讨了螺带桨搅拌槽内给热系数及其与所需功率的关系.研究中使用了4个不同几何尺寸的螺带装以及8种不同稠度的假塑性非牛顿流体和高粘度牛顿流体.结果表明:在雷诺数小于0.1时,试验流体在槽内的给热系数与浆叶几何尺寸有关.通过回归分析法得到了4个对应于各螺带桨的给热系数关联式;雷诺数大于10时,给热系数和搅拌浆几何尺寸无关,从而得出一个适用于不同螺带浆的共同关联式.实验还研究了给热系数和所需搅拌功率的关系,并用多项式回归法得到了整个实验雷诺数范围的传热-搅拌功率关联式.     

假塑性流体搅拌槽内停留时间分布

在直径φ500 mm和高350 mm的无挡板半球底有机玻璃槽中,采用45°斜叶桨研究了流量、搅拌功率、全槽平均表观牯度和物料流变特性对停留时间分布(RTD)的影响.结果表明,对于假塑性流体(流变指数为0.654)和牛顿流体,流量对RTD的影响两者差别不大,搅拌功率的增加更容易改变假塑性流体的RTD,使其更趋于全混流;对于牛顿流体,当搅拌功率大到一定程度后,再增加搅拌功率收效不大.假塑性流体的相对全混釜数随着全槽平均表观粘度的增加而增加,在全槽平均表观粘度相同时,假塑性流体的相对全混釜效大于牛顿流体,随着流体假塑性的增强,假塑性流体与牛顿流体相对全混釜数的差值显著增大.     

连续高速分散混合器内的流体力学性能I-实验研究

针对3种不同结构的定子,采用不同粘度的牛顿流体及假塑性非牛顿流体作为工作介质,对连续高速分散混合器(CRS)内的流体力学性能进行了系统的实验研究,着重对CRS的功率特性、流体的表观Kolmogorov尺度进行了测定和分析. 结果表明,3号定子操作条件下的功率准数最大,为5.44;CRS的Metzner-Otto常数远大于普通搅拌桨;CRS内流体的表观Kolmogorov尺度比传统的搅拌反应器小一个数量级,因此CRS内的微观混合时间远小于搅拌反应器. 研究结果可为连续高速分散混合器的优化提供参考.     

最大叶片式桨在假塑性流体中的搅拌流场模拟

为研究最大叶片式桨在高黏假塑性流体中的搅拌流动行为,以黄原胶溶液为研究体系,采用计算流体力学方法重点研究了釜内流体的功耗特性、速率分布、剪切速率、表观黏度分布和总体流动状况。结果表明:最大叶片式桨具有与大多数径流桨相似的"双循环"流型结构,且预测的功耗特性与实验数据一致性良好。最大叶片式桨适用于高黏假塑性流体的混合,而对于高黏牛顿流体的混合则效果不佳。釜内的剪切速率分布较宽泛,且受转速影响较大。转速可作为该桨改善黄原胶体系混合效率的重要参数之一。     

流体流变性对错位六弯叶桨流场特性的影响

利用计算流体力学(CFD)的方法,以高黏牛顿流体和假塑性非牛顿流体为研究对象,对错位六弯叶桨在层流域的搅拌流场特性进行了研究。结果表明:数值计算得到的功率值与实验测量值吻合较好,搅拌雷诺数对假塑性流体搅拌流场的量纲一速度和切应变速率影响较大,因此提高转速对改变流场的速度及切应变速率分布是一个有效的办法;而流体的流变性只对假塑性流体的量纲一速度有明显影响,对切应变速率影响较小,当流变指数n<0.3时与n基本无关。当流动由层流向过渡流转变时,搅拌桨的流量准数及泵送效率有显著提高;假塑性流体的流变指数降低时,其泵送效率显著下降。研究进一步认识了错位桨在不同流体中的搅拌流场特点,为高黏假塑性流体搅拌桨的设计、应用以及开发新型搅拌桨提供了参考。     

粘稠物系流变特性对螺带桨混合性能影响的研究

选用流变性质不同的三种物系:糖浆、CMC溶液、鲍格流体,在直径为0.286m的釜内,以不同结构的螺带桨进行搅拌,测定了功率、混合时间、速度分布和流型。分析了流变性质如粘度的剪切依赖性、弹性等对这些性能的影响,并在流型观测的基础上对功率、混合时间的变化规律作了解释。     

带有内外组合桨的搅拌设备内流场的数值研究

利用滑移网格法计算了以一定转速比反向旋转的内外组合桨搅拌的搅拌设备内的流场,工作介质分别选取98％甘油和1．5％(wt)CMC水溶液。通过对单桨与内外组合桨产生的流场进行对比,研究了搅拌设备内不同高度处速度、速度变化率、表观粘度及剪切速率的分布特点。结果表明：采用内外组合桨,介质为中粘牛顿流体时,在罐内主体区远离罐壁区域径向速度受到一定削弱,但在某些局部区域被增强,而对于假塑性流体径向速度总体上得到增强。采用内外组合桨可以加强轴向循环,改善搅拌设备近壁区的流动状况,且对假塑性流体流动状况的改善要优于中粘牛顿流体,另外还可以显著地提高搅拌设备内的剪切速率,同时使剪切速率的分布比较均匀。     

CFD analysis of several design parameters affecting the performance of the Maxblend impeller

A CFD characterization of the hydrodynamics of the Maxblend impeller with experimental validations has been carried out with viscous Newtonian and non-Newtonian inelastic fluids. The mixing cases investigated were the non-baffled configuration with Newtonian and shear-thinning fluids, and the baffled configuration with only Newtonian fluids. The study focused on the effect of the impeller bottom clearance and the Reynolds number on the power characteristics, the distribution of shear rates and the overall flow conditions in the vessel. It was found that the bottom clearance plays a significant role on the power consumption, and that the value of the Reynolds number and the power law index strongly affect the axial pumping efficiency and the shear rate profile. The best performance was obtained when the impeller Reynolds number is superior to 10.     

Shear and skin friction on particles in power-law fluids agitated by flat-blade and fluid foil impellers

The shear rates that exert angular deformation on spherical particles have been measured. The particles are mimiced by a spherical probe. The probe has been immersed in various impeller-agitated power law fluids. The fluids are aqueous dispersions of polymers, e.g. CMC, xanthan gum and starch. The probe has been positioned in various points of a stirred vessel and at various angles. Angle-averaged shear rate distributions were produced. The distributions obtained are characteristic for the specific impeller flow patterns. The flow patterns have been identified by computational fluid dynamics (CFD). Two types of impellers representative for the flat and the fluid-foil blade design, i.e., a Rushton flat-blade turbine (RT) and a Narcissus impeller (NS) are studied. The effects of rheological properties and blade design on the ‘shear-rate-on-particles’ distribution are examined. The local shear field non-uniformity has been uncovered and compared in terms of the CFD-generated time-averaged velocity and deformation rate profiles. The ‘shear-rate-on-particles’ distribution apart from the impeller is found to follow qualitatively the time-averaged inner flow shear rate distribution. Referring to impeller speed 5-12.5 Hz, the dimensionless wall shear rate varied between 200 and 1000. In power law fluids, the shear rate on particles decreased up to 50%. The fluid-foil NS-generated shear field was found comparable to the shear field induced by conventional flat-blade turbines and appeared in cases less sensitive to polymer presence. The shear rate produced by the fluid-foil impeller in the highly shear-thinning model solution (n∼0.4) exceeded the flat-blade RT-imposed shear rate. The analysis has been extended to skin friction drag on particles. It is shown that, while exerting an undoubtedly greater angular deformation in water-like fluids, in polymer presence the conventional flat-blade turbine introduces a flow geometry that imposes particle drag that is close or in some cases even less than the one generated by the fluid-foil impeller. The fact implies a weak shape effect of radial turbines on shear-sensitive particles or particle dispersions in power law liquids.     

柔性Rushton搅拌桨的功耗与流场特性研究

基于传统的Rushton桨,开发了一种柔性叶片Rushton搅拌桨。采用数值模拟方法研究了柔性桨的功耗及层流和湍流流场特性,并分别采用扭矩测量法和粒子图像测速法进行了实验验证。结果表明,对于实验规模的搅拌容器,当介质黏度与甘油接近时,可用橡胶作为柔性桨叶制作材料。Reynolds数≤100时,柔性桨的功耗大于刚性桨;Reynolds数大于该值后,柔性桨的功耗小于刚性桨。柔性桨叶对被搅拌流体具有自适应特性,流固耦合作用下产生的变形增加了流体的径向流动能力。搅拌低黏度流体时,柔性桨能提升近桨区流体的速度,增加桨叶远端流体的循环流动能力;搅拌高黏度流体时,近桨区和桨叶远端流体的速度均大于刚性桨。就尾涡而言,柔性桨产生的涡量较小,耗能少。     

新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟

基于同心双轴搅拌器的结构与运行特点,建立了兼顾其流动、混合过程的三维数学模型,并以过程工业应用较多的两种不同尺寸双层组合桨作为内桨、框式桨作为外桨构成的同心双轴搅拌器为研究对象,数值模拟了其在中高黏牛顿流体中同向及反向转动模式的功率特性、流场特性及混合特性。模拟结果表明,同向转动模式下,整个系统的搅拌功耗更小、混合效率更高;外桨功耗受内桨影响较大,一般随内桨转速的增大,恒速外桨的功耗同向转动时会减小、反向转动时会增大;对由桨式搅拌器构成的组合式内桨而言,当内桨直径与釜体直径之比为0.35左右时,相同Reynolds数下的单位体积混合能更小;中高黏牛顿流体中,同心双轴搅拌器的内桨采用上层六斜叶桨+下层六直叶桨的组合形式时更高效节能,仅在体系Reynolds数小于36时,上层二斜叶桨+下层二直叶桨的内桨组合形式才具有相对优势。