柔性槳強化攪拌槽混沌混合的CFD研究.pdf

1、攪拌反應器是一種典型的過程設備，被廣泛應用于化學工業(yè)、制藥工業(yè)、石油化工行業(yè)、食品加工等眾多領域中。由于流體混合行為與攪拌反應器結構間的復雜關聯性，以及混合流體自身的高度敏感依賴性和復雜時空混沌特性，致使攪拌反應器的設計與放大至今還缺乏完備的理論支撐而強烈依賴于經驗。而攪拌槳是攪拌反應器的核心設備，它向流體提供所需要的能量并形成一定的流場，實現流體的混合。因此，強化攪拌反應器混合效果的重點在于合理設計攪拌槳葉。
　　相關研究表明，

2、攪拌槽內流體廣泛存在隔離區(qū)，并影響著混合效率。近年來，伴隨著非線性科學和混沌理論的高速發(fā)展，人們提出利用混沌現象來強化攪拌槽內流體的混合操作。通過破壞隔離區(qū)，在整個槽體內形成混沌區(qū)，可以有效的提高混合效率，縮短混合時間，減小能量消耗，因此混沌混合在工業(yè)中具有很大的應用前景。
　　目前，混沌混合的強化方法主要有變速攪拌、偏心攪拌、往復攪拌等，這些方法主要是通過來自流體外部的非規(guī)律擾動破壞流體顆粒運動軌跡的周期性和對稱性，從而誘發(fā)混沌

3、混合。然而這種“外加”型擾動雖然可以有效的誘發(fā)混沌混合，但是其操作過程比較繁瑣，能量消耗相對較高，設備結構復雜，加工成本高，不利于工業(yè)應用。改進槳葉結構設計，從而誘發(fā)和強化流體混沌混合的研究較少，也比較缺乏。柔性體與剛性體組合，可設計出具有多體運動行為的節(jié)能柔性攪拌槳。本文通過對柔性攪拌槳葉片的攪拌槽模型進行數值模擬，并將結果與傳統(tǒng)剛性槳葉進行對比，證明該種柔性攪拌槳可以通過剛-柔-流的耦合作用，利用尺度豐富的渦波對流體顆粒的運動軌跡進

4、行“自激發(fā)式”的擾動，從而不僅在局部也能在槽體全局強化混沌混合效果。
　　本文首先通過 PIV系統(tǒng)的實驗驗證模擬結果的可靠性。然后進一步利用FLUENT軟件對柔性槳形成的宏觀流場、流體速度特性、湍動性能、槳葉的剪切效果以及功率消耗等進行了研究和分析，具體的結論如下所示：
　　1.通過對比PIV實驗與CFD模擬結果，兩者形成的時均流場結構、速度特性基本吻合，誤差控制在10％以內，說明本文采用的模擬方法具有較高的可靠性。模擬過程

5、中采用的MRF流場處理方法、標準k-ε方程湍流模型以及邊界條件的設定對該實驗中的物理模型具有較好的適用性。
　　2.傳統(tǒng)剛性渦輪槳（PBT-6，RDT-6）形成的是典型的“雙循環(huán)流”，而柔性渦輪槳（柔性PBT-6，柔性RDT-6）形成的流場結構有向“整體循環(huán)流”變化的趨勢，尤其是柔性六凹葉渦輪槳性成的流場已經有明顯的整體循環(huán)效果。這說明傳統(tǒng)的剛性渦輪槳對流體的以剛性的剪切作用為主進行能量，而柔性攪拌槳則是通過強化流體波動性能，以更

6、豐富的尺度結構對能量進行“柔性傳遞”。PIV實驗結果顯示，柔性槳可以有效的強化流場的分形維數，強化程度與轉速呈現線性相關，而具體的線性關系則受柔性槳的幾何參數控制。
　　3.攪拌槽內廣泛存在兩種流型，分別是穩(wěn)定流型（stable mainflod）和不穩(wěn)定流型（unstable mainfold），兩種流型內的流體通過復雜的耦合作用形成回轉式葉狀波動流（turn-style lobe），實現兩個流型的物質和能量傳遞，從而誘發(fā)混沌混

7、合，在此過程中流體間的相互作用會促使流線進行拉伸、變形。通過混沌混合的誘發(fā)過程可以發(fā)現，強化流體混沌混合的關鍵在于強化流體的波流特性，而流體流線結構的拉伸變形是流體混沌混合效果的直觀表現。通過對比剛性槳和柔性槳形成的流場速度分布矢量圖的模擬結果可以發(fā)現，柔性槳有利于流體流線的拉伸、變形，其中柔性六凹葉渦輪槳通過柔性端的波動擾動，使得流體形成了具有較好軸向流動特性的“偽雙循環(huán)”流線結果，而柔性六直葉渦輪槳在槳葉尖端形成了明顯的“S”狀流線

8、特性。這些流線結構的改變說明柔性槳可以有效的實現流體能量傳遞，從而強化流體的混沌混合。
　　4.傳統(tǒng)的剛性槳在槳葉尖端區(qū)域的流體具有較高的湍流動能，同時能量的耗散也主要從該區(qū)域開始的。這說明槳葉區(qū)域附近流體運動劇烈，該區(qū)域流體的混合效果好。但是湍流動能這種分布梯度過大不利于能量在整個槽體內均勻分布，易出現較大的隔離區(qū)。而柔性攪拌反應器可以有效改善流體湍動能分布，提高攪拌槽內流體的能量傳遞效率，從而強化流體的混沌混合。
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