剛?cè)峤M合槳強(qiáng)化流體混合的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、攪拌槳作為機(jī)械攪拌反應(yīng)器中的主要部件之一，它能在攪拌反應(yīng)器工作時(shí)提供給流體一定的流動(dòng)狀態(tài)和適合的能量，對(duì)它進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是流體實(shí)現(xiàn)節(jié)能和高效混合的重要途徑。攪拌過程中能量的耗散主要發(fā)生在槳葉后的尾渦處和槳葉外緣，大約占據(jù)了攪拌槳總輸入機(jī)械能的70％。以剛性材質(zhì)為主的傳統(tǒng)攪拌槳通過對(duì)流體聚并與剪切作用實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，混合效率低及能耗高；而周圍流體與剛-柔結(jié)合的攪拌槳的槳葉柔性端存在耦合作用，它可從“卡門渦街”中汲取能量，進(jìn)而提高混合效率。<

2、br>　　流體混合效率和攪拌槳結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，流體與柔性槳葉之間存在力的耦合作用，攪拌槳柔性尖端葉片在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生一定量的變形或位移，葉片的位移或變形又可以反過來影響流場(chǎng)變化，引起流體載荷分布和大小的轉(zhuǎn)變，從而影響流體混合。因此，數(shù)值模擬中的流固耦合分析方法可用于指導(dǎo)剛?cè)峤M合槳攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)與研究流體混合行為。
　　本文以自來水和空氣-自來水為攪拌介質(zhì)，結(jié)合采集的壓力脈動(dòng)信號(hào)和扭矩時(shí)間序列，借助Matlab軟件和小波分析方

3、法計(jì)算LEmax分析體系的混沌混合特性；利用碘液脫色法和流場(chǎng)可視化方法測(cè)試體系的混合時(shí)間、混合效果以及采用軸上扭矩法計(jì)算攪拌槳功耗分析體系的宏觀混合性能；并結(jié)合ANSYSWorkbench仿真平臺(tái)、雙向流固耦合及張量分析方法計(jì)算流場(chǎng)的速率特性、氣含率以及攪拌槳的總變形量、等效應(yīng)力；同時(shí)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)工業(yè)中攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　?、僖宰詠硭鳛閱蜗嗔骰旌象w系，本文對(duì)比分析了剛性槳和剛?cè)峤M合槳體系L

4、Emax、混合時(shí)間、速率特性以及兩種攪拌槳的功耗、總變形量、等效應(yīng)力。結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速為120rpm時(shí)，剛?cè)峤M合槳使體系LEmax增大了20%，混合時(shí)間縮短了32%，攪拌槳功耗下降了6%，其槳葉尖端的變形量是剛性槳的105倍，其應(yīng)力比剛性槳增加了83%；與剛性槳相比，剛?cè)峤M合槳在流固耦合作用下對(duì)流體的作用力更大，能夠更好地傳遞能量、增強(qiáng)流體運(yùn)動(dòng)及強(qiáng)化流體混合。
　?、谝钥諝?自來水為氣液兩相流混合體系，本文對(duì)比分析了剛性槳和剛?cè)峤M

5、合槳體系LEmax、氣液混合行為、速率特性、氣含率。結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速為180rpm，空氣流量為1500L/h時(shí)，剛?cè)峤M合槳使單層槳體系LEmax增加了21%、雙層槳體系LEmax增加了5%，且氣泡的混合程度優(yōu)于剛性槳；而剛性槳給流體提供了較強(qiáng)的剪切作用，提高了氣泡的破碎能力，增加了體系中氣泡的數(shù)目。
　?、劢Y(jié)合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，在浸出攪拌反應(yīng)器中調(diào)整雙層槳的層間距為1800mm以及安裝三層槳或?qū)Я魍?，或在高速分散反?yīng)釜中調(diào)整雙層槳的層