旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器是一種新型的微化學(xué)反應(yīng)器，它的基本構(gòu)造是兩個(gè)同軸旋轉(zhuǎn)的圓臺(tái)，內(nèi)圓臺(tái)為轉(zhuǎn)子，外圓臺(tái)為定子，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過(guò)馬達(dá)調(diào)節(jié)，而夾縫的大小可以通過(guò)移動(dòng)定子調(diào)節(jié)。圓臺(tái)夾縫內(nèi)注入反應(yīng)物溶液，一般為不可壓縮流體。旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器在制備納米材料方面的應(yīng)用前景很廣闊。實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的反應(yīng)器相比，由該反應(yīng)器制備的納米功能性材料具有平均粒徑小和粒度分布窄的特點(diǎn)，這里的決定因素主要為流場(chǎng)的行為和微觀反應(yīng)，本文選擇了流場(chǎng)為研究對(duì)象，同時(shí)與倒置的旋轉(zhuǎn)液膜反

2、應(yīng)器中的流場(chǎng)進(jìn)行比較。
　　通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析探究不同初始條件、邊界條件和反應(yīng)器的幾何參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的影響。對(duì)旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)建立數(shù)學(xué)模型，尋找合理的數(shù)值模擬方法，將所得到的數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)中已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。本文的研究結(jié)果可為制備納米材料的實(shí)驗(yàn)研究提供必要的理論指導(dǎo)。
　　本文首先對(duì)旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后通過(guò)量綱分析降低所研究問(wèn)題的維數(shù)。量綱分析使流場(chǎng)中的各物理量之間的依賴關(guān)系更

3、加明確。通過(guò)量綱分析證明了決定影響旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)無(wú)量綱壓強(qiáng)和速度的參數(shù)為以下四個(gè):半徑比、縱橫比、圓臺(tái)傾斜角和雷諾數(shù)。此外，基于無(wú)量綱分析給出了該反應(yīng)器不同尺寸下的流動(dòng)滿足力學(xué)相似性的充分必要條件。隨后論文對(duì)旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器當(dāng)縱橫比為12.5、半徑比為0.8、傾斜角為82°時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，當(dāng)雷諾數(shù)很小時(shí)，流場(chǎng)中的流動(dòng)是層流，流動(dòng)無(wú)泰勒渦產(chǎn)生;當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到112.5時(shí)，流動(dòng)從半徑最大的位置開(kāi)始失穩(wěn)，并產(chǎn)生第一個(gè)泰勒渦;當(dāng)雷諾數(shù)增

4、至192.5時(shí)，流場(chǎng)中充滿6對(duì)渦。當(dāng)增大反應(yīng)器的縱橫比至25時(shí)，流場(chǎng)滿渦時(shí)渦的對(duì)數(shù)由6對(duì)變?yōu)?1對(duì)，并且縱橫比越大，流場(chǎng)中的壓強(qiáng)和速度就越大。另外，如果反應(yīng)器的傾斜角變小，則流場(chǎng)中的渦呈非常明顯的上大下小分布。繼續(xù)增大雷諾數(shù)渦將出現(xiàn)波動(dòng)。
　　對(duì)小雷諾數(shù)，本文基于Taylor-Couette的層流解對(duì)壓強(qiáng)積分，導(dǎo)出流場(chǎng)壓強(qiáng)的近似解析解。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，數(shù)值結(jié)果與近似解析解非常接近。對(duì)影響流場(chǎng)的不同參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算得出:雷諾數(shù)

5、越小，兩種解的吻合的越好，隨著雷諾數(shù)的增大，這種吻合效果就會(huì)變差。此外，縱橫比越大和傾斜角越接近直角，數(shù)值解和近似解析解就越接近。由于裝置中的上、下邊界都是固璧，因此，流場(chǎng)中越遠(yuǎn)離上、下端，兩種解的吻合效果就越好。
　　將倒置的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器與旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行比較，研究結(jié)果顯示，由于兩種形狀的反應(yīng)器內(nèi)流體所受離心力沿軸向不同，導(dǎo)致流體的流動(dòng)也不同。當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到112.5時(shí)，兩種形狀反應(yīng)器中流場(chǎng)均在半徑最大的位置生成第一

6、個(gè)Taylor渦。隨著雷諾數(shù)的增大，反應(yīng)器中的流場(chǎng)會(huì)向半徑小的方向逐漸成對(duì)增加Taylor渦，前者向下，后者向上。當(dāng)雷諾數(shù)同為大約192.5時(shí)，兩種反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)會(huì)同時(shí)充滿Taylor渦。
　　當(dāng)?shù)怪玫男D(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的上底邊界半封閉，且與一個(gè)同軸旋轉(zhuǎn)圓柱的夾縫相連，內(nèi)圓柱和內(nèi)圓臺(tái)以相同的角速度旋轉(zhuǎn)。對(duì)此裝置，Wimmer在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流場(chǎng)的雷諾數(shù)略大于圓臺(tái)滿渦的臨界值時(shí)，圓臺(tái)夾縫內(nèi)產(chǎn)生的渦的個(gè)數(shù)不再是固定的、成對(duì)的，而是呈周期的

7、奇偶交替出現(xiàn)。通過(guò)數(shù)值模擬，本文重現(xiàn)了Wimmer實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的這種現(xiàn)象。結(jié)果顯示，當(dāng)雷諾數(shù)為195時(shí)，圓臺(tái)間充滿渦;當(dāng)雷諾數(shù)略大于這個(gè)臨界值，如Re=200時(shí)，圓臺(tái)間產(chǎn)生的渦的個(gè)數(shù)是呈周期性的奇偶交替。本文除了重現(xiàn)Wimmer實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象以外，還研究了繼續(xù)增大雷諾數(shù)時(shí)渦的發(fā)展和演變。當(dāng)雷諾數(shù)增大到220時(shí)，圓臺(tái)間渦的個(gè)數(shù)奇偶交替的周期變大;當(dāng)雷諾數(shù)增大到300時(shí)，圓臺(tái)和圓柱夾縫內(nèi)都充滿渦，渦的個(gè)數(shù)不再發(fā)生變化。
　　數(shù)值模擬還

8、發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圓臺(tái)初始旋轉(zhuǎn)加速度不同，穩(wěn)定后形成的流場(chǎng)也不同。無(wú)量綱加速度為d Re/dt=10時(shí)，圓臺(tái)間產(chǎn)生的渦的個(gè)數(shù)的變化周期大約為90秒，渦的數(shù)量為12或者13個(gè);無(wú)量綱加速度為d Re/dt=150時(shí)，渦的個(gè)數(shù)的變化周期大約為148秒，產(chǎn)生的渦的數(shù)量為12、13或者14個(gè)。因此，從周期上來(lái)看，內(nèi)圓臺(tái)的無(wú)量綱加速度越小，渦的演變周期越短;從產(chǎn)生的渦的數(shù)量上來(lái)看，內(nèi)圓臺(tái)的無(wú)量綱加速度越小，流場(chǎng)中產(chǎn)生的渦的個(gè)數(shù)越少。上述數(shù)值模擬得到的結(jié)果與