浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的流場特性研究.pdf

1、浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器是在靜態(tài)射流混合器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型反應(yīng)器。它的基本原理是，安裝在兩個導(dǎo)流筒進口段的螺旋槳推進器輸送流體沿導(dǎo)流筒高速流動，流體在反應(yīng)器中心處相向撞擊，形成一個高速湍動的撞擊區(qū)。撞擊后，流體轉(zhuǎn)為徑向運動，沿導(dǎo)流筒與側(cè)壁間的環(huán)室回流，到達導(dǎo)流筒的入口，再次被螺旋槳推送通過導(dǎo)流筒進入撞擊區(qū)。這種反應(yīng)器與傳統(tǒng)的攪拌槽反應(yīng)器相比，具有諸多優(yōu)點。特別在撞擊流反應(yīng)—沉淀制取超細粉體方面，已具有成功的應(yīng)用。但用現(xiàn)有的理論，還不

2、能加以解釋。通過對浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的流場數(shù)值模擬，全面了解這種新型反應(yīng)器速度、壓力分布特性，用以指導(dǎo)這種反應(yīng)器的應(yīng)用和放大。并通過壓力波動特性的測試分析，揭示浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)撞擊流壓力波動的基本規(guī)律，既可以豐富和發(fā)展關(guān)于撞擊流壓力波動的描述，又可為浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的進一步開發(fā)應(yīng)用指明方向。既具有重要的理論意義，又具有工程實踐的指導(dǎo)意義，同時可能帶來較大的經(jīng)濟效益。 本文在綜述國內(nèi)外關(guān)于反應(yīng)器的數(shù)值模擬、反應(yīng)器內(nèi)微觀

3、混合特性和壓力波動特性研究的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值求解和實驗測試相結(jié)合的辦法，對浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的流場特性進行了全面、系統(tǒng)的研究。 在建立浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的物理模型、數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立其求解控制方程，將攪拌器的葉輪處理成“黑箱”，賦以初始速度，應(yīng)用通用的有限元流場分析軟件，對該反應(yīng)器的流場進行了數(shù)值模擬。得出反應(yīng)器中的速度分布和壓力分布關(guān)于z軸和x軸對稱；而關(guān)于y軸則非對稱，其原因在于結(jié)構(gòu)約束不同，上部為自由界面

4、，下部則為封閉的室體。并且通過對流場不同截面的速度和壓力分布分析，初步可判定撞擊區(qū)范圍；在導(dǎo)流筒內(nèi)初始速度V0=1.0m/s下，撞擊影響強烈的區(qū)域為：-25≤z≤25mm，-25≤y≤25mm，-15≤x≤15mm的橢球形區(qū)域。撞擊區(qū)的壓力高，且在對稱中心區(qū)達到最大值。通過改變導(dǎo)流筒內(nèi)流體的初始速度，流場中的速度和壓力變化遵循相同的規(guī)律。 選用經(jīng)典的競爭串聯(lián)反應(yīng)體系，通過建立數(shù)學(xué)模型，并利用自編的計算程序進行求解，得出了反應(yīng)物及

5、生成物的濃度分布時空變化圖，該圖較好地反映出微觀混合控制區(qū)隨著反應(yīng)的進行，各組分物質(zhì)濃度的變化情況。數(shù)值求解結(jié)果表明，分隔指數(shù)Xs值停留在0.0160～0.2400范圍內(nèi)，而相應(yīng)的實驗值大約為0.0141～0.3004，兩者相差不超過20％，處于工程計算誤差許可范圍之內(nèi)。 首次采用高精度壓力傳感器和動態(tài)信號采集系統(tǒng)，測試了浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動特性。結(jié)果表明，各測點均存在一定程度的壓力波動，其壓力波動數(shù)值從幾帕斯卡到幾

6、十帕斯卡，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大，各測點的壓力波動幅度總體呈增大趨勢。通過對實驗結(jié)果進行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)撞擊區(qū)附近的壓力波動一階主頻率均高于1000Hz，可以認為該壓力波動屬高頻壓力波動。正是這種高頻波動，造成了反應(yīng)-沉淀過程中流體微團與顆粒的分散，細化了反應(yīng)產(chǎn)物。 簡要介紹了進行非線性分析的混沌理論，介紹了混沌分析的三個基本特征參數(shù)：分數(shù)維數(shù)、Lyapunov準數(shù)和Kolmogorov.熵及其計算方法。并首次應(yīng)用該理論計算了浸沒