偏心射流強(qiáng)化流體混沌混合的研究.pdf

1、攪拌與混合操作廣泛應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、冶金、水處理等行業(yè)中。它是通過(guò)攪拌器的旋轉(zhuǎn)向攪拌槽內(nèi)流體輸入機(jī)械能，使流體獲得適宜的流場(chǎng)，強(qiáng)化過(guò)程的傳熱和傳質(zhì)，提高生產(chǎn)效率和能力。研究表明，攪拌器近70％的能量集中耗散在槳葉尖端，從而在攪拌槳的尖端區(qū)域形成流體湍流區(qū)。湍流區(qū)集中的能量需要靠攪拌器周圍的流體運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行傳遞。因而，調(diào)控槽內(nèi)流體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化攪拌器周圍的流體運(yùn)動(dòng)，正受到研究人員的關(guān)注。
　　 隨著非線性理論與混沌理論的

2、發(fā)展，人們開始利用混沌現(xiàn)象來(lái)調(diào)控流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化流體的混合性能。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)包含混沌混合區(qū)和混合隔離區(qū)?；煦缁旌蠀^(qū)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，以Lyapunov指數(shù)規(guī)律被拉伸，混合程度高。隔離區(qū)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)軌跡很規(guī)則，只能以線性規(guī)律被拉伸，相互之間耦合程度低，混合程度不高。因此，改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(增大混沌混合區(qū)，減小混合隔離區(qū))，實(shí)現(xiàn)混沌混合是提高混合效率的有效途徑。
　　 針對(duì)偏心射流的特點(diǎn)，射流攪拌和機(jī)械攪拌形成不同的流場(chǎng)，這兩種流場(chǎng)的耦

3、合必然誘發(fā)混沌混合，而偏心攪拌和射流攪拌改善流場(chǎng)的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，促使流場(chǎng)中混沌區(qū)的增大。因此，本文提出偏心射流攪拌方式，實(shí)驗(yàn)以LabVIEW軟件采集攪拌槽反應(yīng)器某點(diǎn)壓力脈動(dòng)信號(hào)，通過(guò)Matlab軟件分析信號(hào)，結(jié)合混沌特性參數(shù)和流場(chǎng)模擬研究攪拌槽混沌混合特性，為放大實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。本論文的具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　 ①實(shí)驗(yàn)以LabVIEW虛擬儀器軟件采集攪拌槽反應(yīng)器某點(diǎn)壓力脈動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)小波分析處理后得到流體的宏觀不穩(wěn)

4、定頻率。單一液相，攪拌轉(zhuǎn)速分別為100，130，165，195rpm時(shí)，宏觀不穩(wěn)定無(wú)因次頻率峰值依次為0.02548，0.01500，0.00148，0.00146，可以看出峰值減小，即宏觀不穩(wěn)定性減弱。宏觀無(wú)因次頻率(f/N)與攪拌轉(zhuǎn)速呈線性比例關(guān)系，即f=10-4；加入射流后宏觀不穩(wěn)定頻率消失，出現(xiàn)譜帶現(xiàn)象，流場(chǎng)擬序結(jié)構(gòu)多尺度結(jié)構(gòu)特征更加明顯，導(dǎo)致流體混沌混合特性得到增強(qiáng)；
　　 ②采集偏心射流攪拌槽反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)圖像信息，結(jié)

5、合圖像處理軟件，實(shí)驗(yàn)研究了偏心空氣射流雙層槳攪拌槽內(nèi)氣-液體系的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流場(chǎng)分形維數(shù)受攪拌轉(zhuǎn)速和空氣流速的共同作用。在轉(zhuǎn)速350rpm，射流量分別為40，50，60，70，80，90，100L/min時(shí)，攪拌槽中流體的分形維數(shù)分別是1.1552，1.2189，0.9875，1.2157，1.1974，1.2484，1.2870；
　　 ③實(shí)驗(yàn)采集壓力傳感器傳輸攪拌槽內(nèi)壁壓力脈動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)攪拌槽內(nèi)

6、壁壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)Matlab平臺(tái)上對(duì)采集到的時(shí)間序列進(jìn)行編程分析，計(jì)算得到攪拌槽流場(chǎng)最大Lyapunov指數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：未加射流前，攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到130rpm，攪拌槽流體的Lyapunov指數(shù)趨近于0，即攪拌槽流體進(jìn)入混沌狀態(tài)。加入射流后，攪拌轉(zhuǎn)速在20rpm進(jìn)入混沌狀態(tài)。即加入射流后只需要提供較低速度的機(jī)械攪拌，攪拌槽流體進(jìn)入混沌狀態(tài)。
　　 ④使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，采用多重參考系(MRF)法對(duì)