柔性槳強(qiáng)化高粘度流體混沌混合行為的研究.pdf

1、攪拌反應(yīng)器中流體的混合是工業(yè)上常用的單元操作，它廣泛應(yīng)用于橡膠、食品、石油和造紙等行業(yè)。攪拌槳是攪拌反應(yīng)器的核心部件，它向流體提供所需要的能量并形成一定的流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)流體的混合。合理設(shè)計(jì)攪拌槳有助于流體形成適宜的流動(dòng)狀態(tài)、降低攪拌功耗、提高混合效率。因而，攪拌槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化及流場(chǎng)調(diào)控已成為流體混合強(qiáng)化研究的熱點(diǎn)。
　　隨著混合理論的發(fā)展和工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，人們研發(fā)出了多種剛性攪拌槳。這些剛性攪拌槳主要通過(guò)剪切作用向周?chē)黧w傳遞能量，

2、能有效強(qiáng)化低粘度流體的混合。然而，對(duì)于高粘度流體的混合，剛性槳在攪拌過(guò)程中能耗高，容易出現(xiàn)攪拌軸斷裂等問(wèn)題。相關(guān)研究表明，剛-柔耦合形式的柔性攪拌槳通過(guò)其柔性端與周?chē)黧w相互作用，從渦街中汲取能量，能有效增大流場(chǎng)的混沌混合區(qū)，減小隔離區(qū)，增強(qiáng)流體混沌混合行為，實(shí)現(xiàn)節(jié)能操作。但柔性槳用于高粘度流體混沌混合方面的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，研究柔性槳強(qiáng)化攪拌槽內(nèi)高粘度流體混沌混合行為是十分必要的。
　　本文以甘油為介質(zhì)，柔性六直葉槳攪拌反應(yīng)器

3、為研究對(duì)象，利用扭矩傳感器采集攪拌槽反應(yīng)器的扭矩信號(hào)，結(jié)合小波分析和Matlab軟件，計(jì)算 Kolmogorov熵和最大Lyapunov指數(shù)，研究攪拌槽流體的混沌特性；采用酸-堿可視化實(shí)驗(yàn)測(cè)量其混合時(shí)間，并觀察槽中混合隔離區(qū)的演變過(guò)程，結(jié)合混合時(shí)間與功率消耗研究攪拌槳的混合效率，并通過(guò)CFD模擬研究其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性，為高粘度流體攪拌槽的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下：
　?、賹?shí)驗(yàn)以扭矩虛擬儀器軟件采集攪拌槽中的扭矩

4、信號(hào)，經(jīng)過(guò)小波分析處理后，在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)K熵和最大Lyapunov指數(shù)的變化規(guī)律；對(duì)比研究剛性六直葉槳（剛性槳）和柔性六直葉槳（柔性槳）的K熵和最大Lyapunov指數(shù)。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，柔性槳的K熵值、最大Lyapunov大于剛性槳(轉(zhuǎn)速N為120 r·min-1，柔性槳K為0.175,λ max為0.046，剛性槳K為0.085,λ max為0.032)，柔性槳通過(guò)對(duì)流體

5、的擾動(dòng)使高粘度流體的混沌特性得到增強(qiáng)；
　　②結(jié)合軸上扭矩法和酸-堿可視化技術(shù)，分別對(duì)攪拌功率和混合時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，分析剛性槳與柔性槳的功率特性和混合效率，并對(duì)不同材質(zhì)柔性槳的混合效率進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速相同的情況下(轉(zhuǎn)速N為60 r·min-1時(shí)，柔性槳PV為346 W·m-3，剛性槳PV為340 W·m-3)，剛性槳與柔性槳的功率消耗沒(méi)有明顯差異，柔性槳通過(guò)對(duì)流體的擾動(dòng)，并與周?chē)黧w相互作用能有效地將能量傳遞給流體，強(qiáng)化流