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。     

搅拌槽中四种桨型的混合效率

本文用光导纤维探头法和电阻应变法分别测定了六平叶、六弯叶、六箭叶圆盘透平桨和四叶水翼桨的混合时间和搅拌功率，评选出了这几种浆型混合效率的相对高低。     

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。     

一种计算搅拌槽混合时间的新方法

基于对混合时间定义的思考,提出了一种新的定义方法,在湍流流场数值计算的基础上通过求解示踪剂的浓度输运方程,研究了单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程。结果表明：搅拌转速和搅拌桨安装位置都影响混合时间的大小,而进料位置对混合时间的影响不大。对于不同的搅拌转速而言,随搅拌转速的增大,相同体积分数对应的混合时间逐渐减小。当搅拌桨安装在槽中间位置时所对应的混合时间最小。利用适宜的尺寸和安装位置的导流筒可有效降低混合时间。     

多相搅拌槽内宏观混合研究进展

多相搅拌槽反应器广泛应用于化工、冶金等过程工业中,而多相混合状态对于多相搅拌槽反应器的设计、优化和放大具有重要意义.混合时间是表征其宏观混合过程的一个重要参数.文中从实验和数值模拟二方面对多相搅拌槽反应器的液相混合时间研究进行综述,对气液、液固、液液、气液固4种体系的多相搅拌槽进行了分类总结,讨论了分散相、桨型、转速、...     

穿流-柔性组合桨强化搅拌槽中流体混沌混合特性

刚性搅拌桨在搅拌混合过程中得到广泛的应用,在搅拌容器内容易形成两种不同的混合区域:混沌混合区和混合隔离区。强化流体混合的有效途径是合理设计搅拌桨,从而调控流体混沌混合行为。实验运用Labview和Matlab软件采集和处理流体内部压力脉动信号,并获取流体混沌特性参数Kolmogorov熵,对穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵随转速的变化规律进行了研究。结果表明,相比传统刚性桨,穿流桨对Kolmogorov熵影响不大。穿流-柔性组合桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用调控流场结构,使流体混沌混合的效果最好,在转速为180 r·min^-1时流体的混沌混合达到最佳状态,穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵为0.285,而传统刚性桨体系的Kolmogorov熵只为0.125;穿流-柔性组合桨体系的混合时间明显低于传统刚性桨体系,当转速为120 r·min^-1时穿流-柔性组合桨体系的混合时间比传统刚性桨体系缩短了17%。     

混合澄清槽数值模拟与实验研究进展

稀土是不可再生的重要战略资源,在高新技术材料中具有不可替代的战略作用。混合澄清槽具有操作稳定性好、级效率高、结构简单、易放大等优点,是稀土分离工业中使用最为广泛的萃取设备。本文概述并分析了应用于混合澄清槽模拟的数值模型,结果表明Eulerian-Eulerian多相流模型、k-?湍流模型和多参考系模型因使用简便、精度可靠、对计算机性能要求不高而被当前的研究者们大量采用。此外,针对混合澄清槽抽吸性能、混合特性和澄清特性三大重要性能指标,分别总结了影响各性能的主要参数和调控方法,分析表明在抽吸性能和混合时间方面的研究较为成熟,在液滴聚并破碎数值研究、澄清方式和改进等方面的研究相对薄弱,构建高精度网格、采用更细致分析流场时空发展趋势的大涡模拟和引入种群平衡模型等方法将是下一步深入研究混合澄清槽的重要方向。     

混沌转速搅拌混合及实验研究

将混沌映射与脉冲宽度调制(PWM)技术相结合,开发了一种混沌转速搅拌混合技术. 该技术基于一维逻辑斯蒂映射获得混沌数值序列,然后将该数值序列赋予PWM占空比,经全桥驱动电路转变成混沌电压信号,从而使搅拌轴驱动电机转速呈混沌状态. 采用酸碱中和脱色法对甘油溶液进行了搅拌混合实验研究. 结果表明,在最大转速相同的条件下,为使甘油溶液完全混合均匀,常规匀速搅拌需近9 min,而混沌转速搅拌仅需20 s,后者所用时间仅为前者的5%.     

搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化

搅拌槽反应器广泛应用于石油、化工、制药、冶金等过程工业中,这些过程大都涉及复杂快反应,往往属于混合传递控制的多相过程,反应收率、产品分布和质量等与搅拌槽内流体流动和混合状况密切相关。通过研究各因素对混合产生的影响规律,可以指导搅拌槽的实际生产操作,以达到强化混合的目的。因此,对搅拌槽内宏观和微观混合特性的研究,对反应器的优化设计、工程放大和过程强化具有重要的意义。本工作从实验研究和数值模拟两方面对搅拌槽反应器内的宏观、微观混合及其过程强化的研究进展进行了综述,依据目前的研究现状及存在的问题,对今后的研究方向进行了展望。     

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用LabVIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）,分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m³·h^-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。     

Scalar mixing measurements in a continuously operated stirred tank

An LIF (Laser induced flourescence) line scan system was used to obtain unobtrusive scalar concentration measurements in a continuously operated stirred tank agitated by a radial flow Rushton turbine and an axial flow 60°‐pitched blade impeller. A better blending process was generally achieved in the axial flow field, with macro‐ and micromixing in the radial flow field being most complete with fluid injected into the radial discharge jet, and in the axial flow field with fluid injected from above into the rotating impeller. Local concentration levels and fluctuations scaled with the feed pipe flow rate, and the degree of concentration uniformity throughout the tank scaled with the impeller speed and increased with the cube of the power input.     

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.     

Experimental measurements and simulation of mixing and chemical reaction in a stirred tank

Effects of mixing on the rate of second-order chemical reactions have been studied by measuring the time-average degree of conversion at enough points in a steady-state, continuous-flow stirred reactor to provide comparisons with numerical simulations of the same reactions using a standard Reynolds-averaged turbulence simulation code with an added closure. The reactants were introduced in widely separated feed streams in order to provide a difficult test for the measurements and simulations. Concentration and segregation measurements were made with two fluorescence based methods - one remote and one using a fiber optic probe. The rates of mixing and reaction were simulated using the Corrsin mixing term and the Spalding segregation production term with the Paired-Interaction reaction closure term.     

三桨叶搅拌釜相同混合时间条件下的CFD模拟及放大研究

搅拌釜的放大主要依靠实验或经验进行,目前已有的各种放大规律由于相似理论的出发点不同,缺乏统一的评价标准.采用CFD技术为统一的放大理论基础,针对4个几何相似的三桨叶搅拌釜,以完全混合所需要的时间T99相同为放大基准,对搅拌釜内的湍流场以及搅拌转速、单位容积消耗功率等随搅拌釜几何放大后的变化规律进行了研究.结果表明,采用CFD技术作为统一的放大理论基础,准确、可靠.     

Scalar mixing measurements in batch operated stirred tanks

An LIF technique was used to obtain unobtrusive measurements of scalar concentration as a function of time and mixing times in a fully baffled batch operated mixing vessel agitated by five forms of impeller (Rushton, ‘bucket’, six bladed 45°-and 60°-pitched blade, hyperboloid). The mixing time was comparable to the time required for the dye/scalar to be transported from the top of the vessel to the bottom part plus the time required for a further two rotations of the bulk flow in the circumferential direction. At constant power input the mixing times for similar impellers were similar, although different for different types.     

The simplest stirred tank for laminar mixing: Mixing in a vessel agitated by an off‐centered angled disc

We study the mixing structure, mixing performance, and short term dynamics in round bottomed laminar tanks agitated by an eccentrically located angled disc. We define eccentricity (E = e/R) as the ratio of the distance of the axis of rotation from the center line of the tank (e) and the tank radius (R). The structural and dynamic features observed at different eccentricity values were compared using planar laser‐induced fluorescence techniques and computational fluid dynamics calculations. A Poincaré analysis demonstrates the chaotic nature of the flow induced by eccentricity. Practically globally chaotic conditions are observed for E = 0.42 and E = 0.50, with mixing times of 5–8 min at Re = 416. We study the effect of different injection points on the short‐term mixing dynamics and we calculate axial flow rates and Power numbers. Stirred tanks agitated by an eccentrically located angled disc are a simple and cost effective system for laminar mixing applications. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 3092–3108, 2013     

双层涡轮桨搅拌反应器内混合时间的大涡模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对直径为0.476m双层涡轮桨搅拌反应器内的流动及混合进行了数值模拟,并实验测试了混合过程。利用大涡模拟(LES)及Smagorinsky-Lilly亚格子模型求解湍流流动与示踪剂传递过程,桨叶区域采用滑移网格技术。研究结果表明,大涡模拟得到的示踪剂响应曲线和混合时间与实验结果吻合良好,其预测精度明显优于基于雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)的标准k-ε模型的模拟结果。大涡模拟是研究搅拌反应器内非稳态及周期性湍流流动的有效方法。     

搅拌反应器中液相混合时间研究进展

搅拌反应器是一种在化工、医药、能源和废水处理等领域应用比较广泛的设备.其中混合时间是表征搅拌反应器内物料混合状况的一个重要参数.本丈从实验测量方法和数值模拟两个方面综述了近50年来对混合时间的研究,并展望了未来混合时间测量方法和数值计算的发展方向.