非标准挡板搅拌槽内湍流流场的数值模拟

采用分离涡模型研究了非标准挡板搅拌槽内的流体力学特性,利用滑移网格法模拟了搅拌桨与挡板之间的相对运动。在验证了模拟方法有效性的基础上,分析了挡板布置方式对搅拌槽内的流场、速度与湍动能分布以及功率消耗的影响。结果表明,挡板布置方式对搅拌槽内的流场结构影响较小,但会改变桨叶射流的方向;对速度大小有一定的影响,完全非对称布置时的速度分布最均匀;搅拌功率随挡板非对称程度的增大略有提高,标准挡板的功率消耗与夹角为20°时的功率消耗非常接近,而且标准挡板时的湍动能最大,优于非标准挡板布置方式。     

搅拌槽内液相层流荧光可视化及高效混合技术

机械搅拌作为一种重要的混合技术,在化工生产、环保安全、生物制药等领域有着广泛的应用。搅拌效率和流场的分布是衡量搅拌质量的重要指标。然而,在层流搅拌流场中,搅拌桨周期性的扰动产生了环形动力流场导致搅拌槽内普遍存在混合隔离区,隔离区的存在是实现高效混合的主要障碍。本实验基于平面激光诱导荧光技术实现了二维瞬态液相混合流场结构的可视化,研究了Reynolds数和搅拌槽的几何参数对流场结构时空变化规律的影响。基于MATLAB软件对实验图像进行后处理得到非混合区域面积覆盖率,定量计算出流体的混合效率。结果表明,层流搅拌中搅拌槽内叶轮上方和下方出现对称的隔离区域,并且不会随着Reynolds数的增加而消失。通过在搅拌槽内部特定位置（侵入隔离流场几何中心）设置几何挡板结构,破坏隔离区域环形流场的对称性和封闭性,引发混沌混合从而提升混合质量。设置在特定位置的长方体挡板和扇形圆环挡板分别使搅拌槽内流体混合效率在200s内从65%提升至95%和97%。该研究可为高效层流搅拌混合器的设计提供实验数据与理论指导。     

搅拌槽内液相层流荧光可视化及高效混合技术

机械搅拌作为一种重要的混合技术,在化工生产、环保安全、生物制药等领域有着广泛的应用。搅拌效率和流场的分布是衡量搅拌质量的重要指标。然而,在层流搅拌流场中,搅拌桨周期性的扰动产生了环形动力流场导致搅拌槽内普遍存在混合隔离区,隔离区的存在是实现高效混合的主要障碍。本实验基于平面激光诱导荧光技术实现了二维瞬态液相混合流场结构的可视化,研究了Reynolds数和搅拌槽的几何参数对流场结构时空变化规律的影响。基于MATLAB软件对实验图像进行后处理得到非混合区域面积覆盖率,定量计算出流体的混合效率。结果表明,层流搅拌中搅拌槽内叶轮上方和下方出现对称的隔离区域,并且不会随着Reynolds数的增加而消失。通过在搅拌槽内部特定位置(侵入隔离流场几何中心)设置几何挡板结构,破坏隔离区域环形流场的对称性和封闭性,引发混沌混合从而提升混合质量。设置在特定位置的长方体挡板和扇形圆环挡板分别使搅拌槽内流体混合效率在200s内从65%提升至95%和97%。该研究可为高效层流搅拌混合器的设计提供实验数据与理论指导。     

无挡板涡轮桨搅拌槽内湍流流动的分离涡模拟

采用分离涡模型对无挡板涡轮桨搅拌槽内的湍流流动进行了研究,重点分析了流场结构和速度分布,以检验该模型模拟搅拌槽内流体流动的有效性和正确性. 为了加快收敛,先采用标准k-e模型进行稳态流场计算,并以此结果为初始值进行分离涡模拟. 与现有文献大涡模拟及实验结果对比表明,分离涡模型能捕捉槽内流体的瞬时流动特征,获得的时均速度分布与大涡模拟及实验结果吻合较好,其中对切向速度分布的预测误差不超过7%,对径向速度分布的预测精度则低一些,局部误差接近12%. 分离涡模型适用于无挡板涡轮桨搅拌槽内湍流流动的模拟,能获得与大涡模拟相近的结果,且计算量更小(约为大涡模拟的1/3).     

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。     

轴流桨搅拌槽三维流场数值模拟

利用k -ε湍流模型预测了搅拌槽在不同操作条件下宏观速度场 ,模型成功预测了搅拌槽内速度分布 ,计算结果与实验结果吻合较好 .模型预测结果表明 ,搅拌槽内宏观流动场受搅拌桨槽径比影响较大 .对单层搅拌桨 -槽体系 ,挡板前后宏观流动场差别很大 ,在挡板以前区域 ,轴向流动较强 ,在整个r -z断面上形成一个整体循环 ;而在挡板后面区域 ,流体在桨叶安装位置高度附近转向轴心流动 ,槽体上半部区域形成二次循环区域 ,且二次循环区域内流体以向下流动为主 .     

双层刚柔组合搅拌桨调控流体宏观不稳定性行为

流体宏观不稳定性是搅拌槽内流体流动存在大尺度低频非稳态准周期现象,可以影响流体的能量﹑质量的传递行为。为揭示在双层组合桨作用下搅拌槽内流体的非稳态流动规律,实验采用频谱分析和流场可视化技术研究双层组合桨搅拌槽内自来水体系的宏观不稳定性,对比分析了双层刚性桨和双层组合桨对流体混合的影响。结果表明:直径为T的搅拌槽内流体宏观不稳定频率与转速呈线性增大趋势,在转速为180 r·min^-1时离底距离 0.25T刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率消失,出现谱带现象,流场呈现多尺度结构特征,而离底距离为0.33T和0.5T的刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率分别为0.5096 Hz和0.3459 Hz。双层组合桨体系分别使流体的混合时间缩短了22.5%和35%左右,减小离底距离,可使流场的规则区减小。双层刚柔组合桨调控流体宏观不稳定性,强化流体的能量传递行为,从而缩短混合时间,提高了流体的混合效率。     

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。     

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.     

搅拌槽混沌混合研究进展

介绍了层流状态下搅拌槽内普遍存在的混合隔离区,它的存在成为混合的一大障碍,而混沌混合的提出和应用极大地提高了混合效率.阐述了混沌混合的基本原理是通过动力学扰动的方式破坏流体颗粒运动轨迹的周期性.同时介绍了截止到目前关于搅拌槽内混沌混合的方法,主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌等,对这些方法的数值模拟和实验研究结果都证明,混沌混合能很好地改善搅拌槽的混合效果,与传统的稳态搅拌方式相比,混沌混合具有很大的优越性.     

电场强化层流搅拌的荧光可视化试验及模拟分析

在层流搅拌中,搅拌桨的周期性扰动使搅拌槽内出现封闭、孤立的环状隔离流场。隔离流场严重阻碍了搅拌介质之间的有效交换,降低了搅拌效率。本文提出外加电场以强化层流搅拌的方案,利用电流体动力学效应改变流场的对称结构,消除混合死区。试验采用平面激光诱导荧光（planner laser induced fluorescence, PLIF）技术实现了搅拌槽内流场结构的实时可视化,并通过自编程程序识别并计算出非混合区域面积百分比。结果表明,随着电场强度的增大,混合效率逐渐提升,当电场强度为1.5kV/cm时混合效率可达98%。研究建立了基于有限元法及浓度扩散模型的混合搅拌模拟平台,探究搅拌槽内部流场结构时空演变规律。通过模拟分析发现,当外加平行板电场强度达到0.5kV/cm以上时,搅拌槽内部出现明显的二次涡流。二次涡流的出现与径向混合相互作用从而不断削弱隔离流场。在电场强度不变的条件下,外加周期性电场可以进一步提高搅拌效率,电场强度1kV/cm条件下的外加周期性电场可以使搅拌效率提升至98%以上。     

Chaotic mixing performance enhanced by rigid-flexible impeller with long-short blades in stirred tank

The presence of a mixing isolation regions in a stirred reactor is a major obstacle to enhancing fluid mixing. Breaking the symmetrical flow field structure in the stirred tank and destroying the mixing isolation area can improve the fluid mixing efficiency. The Matlab software was used to calculate the maximum Lyapunov exponent (LLE) and multi-scale entropy (MSE). The effects of different blade types, flexible blade length, flexible blade number, blade height from bottom and rotation speed on fluid mixing were compared. The results show that the rigid-flexible impeller with long-short blades (RF-LSB) can enhance the flow field structure more unstable and asymmetric with deformation and random vibration of flexible pieces, destroy the symmetry flow in the process of fluid mixing, induce the asymmetric flow field, and make more fluid into the chaotic state. When at 90 r/min and three pieces of flexible, the LLE of the RF-LSB is larger than that of rigid impeller and rigid-flexible impeller RF-LSB with increase of 20.22% and 7.98% respectively. The mixing time (θ_m) of the three systems [RF-LSB (three pieces), rigid impeller, rigid-flexible impeller] has an exponential relationship with the power consumption per unit volume (P_v). When P_v is constant, θ_m of the RF-LSB system is the smallest. Results showed that the RF-LSB (three pieces) is superior to rigid impeller and rigid-flexible impeller, which is more conducive to fluid chaotic mixing.     

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。     

偏心组合桨搅拌槽内层流混合过程的数值模拟

目前,处理高黏流体和对剪切敏感介质的层流搅拌槽的报道并不多见。本文建立了描述双层组合桨搅拌槽内高黏非牛顿流体层流流动、混合过程的数学模型,利用Laminar模型、多重参考系法（MRF）和示踪剂浓度法对其流场特性、示踪剂扩散过程进行数值模拟,分析搅拌槽内轴向速度曲线、示踪剂浓度响应曲线和混合时间。结果表明：中心搅拌中间面将介质阻隔在各自的半层内运动,偏心搅拌介质作全局运动,轴向混合能力突出;转轴中心搅拌依靠上下半层浓度差的增大向下扩散,转轴偏心搅拌通过不对称结构扩散示踪剂,叶轮相对转轴偏心搅拌则利用叶片的不对称分布;距离加料点较近和较远的监测点浓度响应曲线因振荡和调整,混合时间较长,处于中间面的监测点拥有最短的混合时间。     

Research progress of chaotic mixing in stirred tank

Chaotic mixing is regarded as an effective method to improve the mixing effect in the laminar stirred tank.To generate chaos in flow field in stirred tank,many efforts including aperiodic movement,asystematic installation impeller,etc.,were made to save mixing time and energy consumption.The computational fluid dynamics of chaotic flow field and the hyperchaotic controlling method as well as macro-instability were reviewed.Multiple flow field coupling is important in the turbulent mixing region of stirred tank.The development trends of flow field coupling and hyperchaotic controlling in chaotic mixing were prospected in energy saving operation.     

搅拌槽内黏性流体流动的DPIV测量与CFD模拟

搅拌槽是化学工业及其相关工业广泛应用的设备之一,由于其内部流动的复杂性,搅拌混合操作目前尚未形成完善的理论体系．对搅拌槽的设计和放大,主要是依赖半经验的方法,对其内部流场有必要进行更深入的研究．目前对不同黏性流体的流动测量及计算流体力学模拟工作见诸报道较少,而     

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。     

Numerical Simulation of Flow and Particle Collision in a Rotating‐Drum Bioreactor

Fluid flow and particle collision intensity in a rotating‐drum bioreactor are investigated by numerical simulation and a conventional stirred‐tank bioreactor is selected for comparison. Fluid flow is simulated by the computational fluid dynamics (CFD) software package FLUENT® whereas particle collision intensity is approached numerically through a hard‐sphere model. The dissipation rate of turbulent kinetic energy and the maximum particle collision intensity in the rotating‐drum bioreactor are about one order of magnitude smaller than those in the stirred‐tank bioreactor. The rotating‐drum bioreactor is likely to have a less severe impact on bioleaching microorganisms, and thus is expected to have great potential in the field of bioleaching processes.