柔性槳強(qiáng)化攪拌槽混沌混合的CFD研究.pdf

1、攪拌反應(yīng)器是一種典型的過程設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)、石油化工行業(yè)、食品加工等眾多領(lǐng)域中。由于流體混合行為與攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性，以及混合流體自身的高度敏感依賴性和復(fù)雜時空混沌特性，致使攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大至今還缺乏完備的理論支撐而強(qiáng)烈依賴于經(jīng)驗(yàn)。而攪拌槳是攪拌反應(yīng)器的核心設(shè)備，它向流體提供所需要的能量并形成一定的流場，實(shí)現(xiàn)流體的混合。因此，強(qiáng)化攪拌反應(yīng)器混合效果的重點(diǎn)在于合理設(shè)計(jì)攪拌槳葉。
　　相關(guān)研究表明，

2、攪拌槽內(nèi)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(xué)和混沌理論的高速發(fā)展，人們提出利用混沌現(xiàn)象來強(qiáng)化攪拌槽內(nèi)流體的混合操作。通過破壞隔離區(qū)，在整個槽體內(nèi)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(yīng)用前景。
　　目前，混沌混合的強(qiáng)化方法主要有變速攪拌、偏心攪拌、往復(fù)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(yùn)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(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高，不利于工業(yè)應(yīng)用。改進(jìn)槳葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而誘發(fā)和強(qiáng)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(shè)計(jì)出具有多體運(yùn)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(jìn)行數(shù)值模擬，并將結(jié)果與傳統(tǒng)剛性槳葉進(jìn)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(yùn)動軌跡進(jìn)

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(qiáng)化混沌混合效果。
　　本文首先通過 PIV系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。然后進(jìn)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(jìn)行了研究和分析，具體的結(jié)論如下所示：
　　1.通過對比PIV實(shí)驗(yàn)與CFD模擬結(jié)果，兩者形成的時均流場結(jié)構(gòu)、速度特性基本吻合，誤差控制在10％以內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)k-ε方程湍流模型以及邊界條件的設(shè)定對該實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jìn)行能量，而柔性攪拌槳則是通過強(qiáng)化流體波動性能，以更

6、豐富的尺度結(jié)構(gòu)對能量進(jìn)行“柔性傳遞”。PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，柔性槳可以有效的強(qiáng)化流場的分形維數(shù)，強(qiáng)化程度與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)線性相關(guān)，而具體的線性關(guān)系則受柔性槳的幾何參數(shù)控制。
　　3.攪拌槽內(nèi)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(nèi)的流體通過復(fù)雜的耦合作用形成回轉(zhuǎn)式葉狀波動流（turn-style lobe），實(shí)現(xiàn)兩個流型的物質(zhì)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(jìn)行拉伸、變形。通過混沌混合的誘發(fā)過程可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化流體混沌混合的關(guān)鍵在于強(qiáng)化流體的波流特性，而流體流線結(jié)構(gòu)的拉伸變形是流體混沌混合效果的直觀表現(xiàn)。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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(jié)構(gòu)的改變說明柔性槳可以有效的實(shí)現(xiàn)流體能量傳遞，從而強(qiáng)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(yùn)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(nèi)均勻分布，易出現(xiàn)較大的隔離區(qū)。而柔性攪拌反應(yīng)器可以有效改善流體湍動能分布，提高攪拌槽內(nèi)流體的能量傳遞效率，從而強(qiáng)化流體的混沌混合。
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