穿流-柔性組合槳強(qiáng)化流體混沌混合行為的研究.pdf

1、在石油煉制、化學(xué)工業(yè)以及冶金等工業(yè)中，攪拌反應(yīng)器是重要的單元操作，其流體混合的效果決定著經(jīng)濟(jì)性。其工作機(jī)理為攪拌軸轉(zhuǎn)動獲得機(jī)械能并通過與流體作用把機(jī)械能傳遞給流場，流體獲得能量并產(chǎn)生較好的流場結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了流體微粒在流場中的質(zhì)量傳遞以及熱量傳遞，提高工業(yè)生產(chǎn)的能效。
　　眾所周知，攪拌槽的核心部分是槳葉，它直接與流體作用把能量傳遞給流場。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌槳葉和分析研究流場結(jié)構(gòu)是流體動力學(xué)領(lǐng)域比較熱門的兩個(gè)方向。按照實(shí)際需要，科研人

2、員研制出許多新式攪拌槳，并且這些槳葉在工業(yè)生產(chǎn)中有著很好的應(yīng)用。在這其中，穿流-柔性組合槳與流體介質(zhì)可發(fā)生固體-柔性-流場的相互耦合作用可改善結(jié)構(gòu)的分布，因此，分析穿流-柔性組合槳的工作機(jī)制和介質(zhì)混合行為具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。
　　本實(shí)驗(yàn)以雙層攪拌槳為研究對象。在實(shí)驗(yàn)過程中，攪拌反應(yīng)槽中某一點(diǎn)的內(nèi)壁壓力數(shù)據(jù)均采用LabVIEW軟件采集而得，然后用Matlab軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并通過計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)對不同槳葉體系中的流體混沌

3、混合特性進(jìn)行分析和比較。在實(shí)驗(yàn)研究中，不同槳葉體系流體的混沌混合特性主要是通過K熵的大小、最大Lyapunov指數(shù)和宏觀不穩(wěn)定性頻率等特征參數(shù)來說明。實(shí)驗(yàn)主要探索和研究了穿流-柔性組合槳強(qiáng)化攪拌槽內(nèi)的流體混沌行為，目的在于為流體混合的放大實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。本文的具體研究內(nèi)容如下：
　?、賹?shí)驗(yàn)利用采集系統(tǒng)采集內(nèi)壁壓力脈動信號，結(jié)合G-P算法以及最小二乘法原理，依次考察了槳葉類型以及柔性部件長度對K熵的影

4、響。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速在180 r·min-1以下時(shí)，穿流槳沒有起到增強(qiáng)混沌的作用。而穿流-柔性組合槳體系的K熵值均大于傳統(tǒng)槳體系，穿流-柔性組合槳通過柔性部件與穿流孔的作用，抑制了槳葉附近流場的擬序結(jié)構(gòu)的單一性和固定性，強(qiáng)化了介質(zhì)混合。轉(zhuǎn)速N≤180 r·min-1時(shí)，在1 cm~5 cm的范圍內(nèi)，穿流-柔性組合槳體系的K熵值隨著柔性材質(zhì)長度的增加而增大；
　?、趯?shí)驗(yàn)使用OpenTSTOOL程序包計(jì)算壓力數(shù)據(jù)的最大Lyapunov指

5、數(shù)?？疾旆治隽藬?shù)據(jù)采樣點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)速、穿流-柔性組合槳以及上下層槳葉間距對最大Lyapunov指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)排除了監(jiān)測位置對攪拌反應(yīng)槽中流場的最大Lyapunov指數(shù)的影響。流場非線性時(shí)間序列的最大Lyapunov指數(shù)均呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速先增大后減小的變化趨勢，轉(zhuǎn)速為180 r·min-1時(shí)，混合程度最好。穿流-柔性組合槳要比傳統(tǒng)槳更容易使流場進(jìn)入混沌狀態(tài)，并且隨著柔性部件長度的增加，最大Lyapunov指數(shù)值稍有增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為180 r·mi

6、n-1時(shí)，上下層槳葉間距為 T和1.1T的最大Lyapunov指數(shù)分別為0.0136和0.0138，此時(shí)，槳葉間距0.3T的雙層穿流-柔性組合槳體系的最大Lyapunov指數(shù)為0.0143，為三種條件下的最大值，說明該條件下的流體混沌混合增強(qiáng)效果最佳；
　?、蹖?shí)驗(yàn)運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集提取反應(yīng)器內(nèi)壁面的非線性時(shí)間序列，按照頻譜，依次考察了攪拌轉(zhuǎn)速、穿流-柔性組合槳和上下層槳葉間距對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響。隨著攪拌轉(zhuǎn)動的加快，反應(yīng)器內(nèi)

7、流場的宏觀不穩(wěn)定性頻率線性關(guān)系增長，兩者之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為fMI=0.0018N。在攪拌轉(zhuǎn)速低于180 r·min-1時(shí)，穿流-柔性組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率要多出傳統(tǒng)槳體系的許多。在穿流-柔性組合槳體系的攪拌轉(zhuǎn)動達(dá)到180 r·min-1的速度時(shí)，槳葉間距為1.2T的流場沒有出現(xiàn)宏觀不穩(wěn)定性，同時(shí)槳葉間距為1.1T和T流場的宏觀不穩(wěn)定性頻率分別是0.4097 Hz和0.3356 Hz；
　?、軐?shí)驗(yàn)利用脫色法測量計(jì)算攪拌反應(yīng)器內(nèi)

8、介質(zhì)混合所需要的時(shí)間?？疾炝舜┝鳂?、穿流-柔性組合槳和槳葉間距對混合時(shí)間的影響，并對槽內(nèi)流場進(jìn)行了可視化分析。ln t與N之間線性擬合程度較好，并且隨著轉(zhuǎn)動的加快，介質(zhì)的混合時(shí)間逐漸降低。穿流槳體系介質(zhì)的混合時(shí)間要稍低于傳統(tǒng)槳體系，但并不太明顯，穿流槳并沒有起到很好的降低混合時(shí)間的作用。而穿流-柔性組合槳體系的混合時(shí)間比傳統(tǒng)槳體系的要低，并且在攪拌轉(zhuǎn)速相對較低時(shí)兩者的差別更加突出。上下層槳葉間距可影響著雙層穿流-柔性組合槳體系的混合時(shí)間