剛柔組合槳強化流體混沌混合行為的研究.pdf

1、機械攪拌反應器廣泛應用于化工、冶金等過程工業(yè),是相關生產(chǎn)工藝流程的核心設備,它是通過攪拌槳的轉動向攪拌槽內(nèi)流體輸入機械能,使流體獲得適宜的流場,強化過程的傳熱和傳質,提高生產(chǎn)效率和能力。合理設計攪拌槳有助于流體形成適宜的流動狀態(tài)、降低攪拌功耗、提高混合效率。因而,攪拌槳結構設計與優(yōu)化及對流場的調(diào)控已成為流體混合過程強化研究的熱點。
　　流體混合過程強化是在最短時間內(nèi)以盡量少的能量輸入,實現(xiàn)微尺度下低雷諾數(shù)流體的快速均勻混合。剛性攪

2、拌槳主要通過剪切作用向周圍流體傳遞能量,約70％的攪拌槳輸入能量集中在槳葉外緣和槳葉后的尾渦處,從而在槳葉尖端附近區(qū)域形成湍流區(qū),容易形成周期性和對稱性流場結構(“死區(qū)”),降低了流體的混合效率。剛柔組合攪拌與流體形成的剛-柔-流耦合運動可誘發(fā)流體混沌混合。因此,研究剛柔組合槳強化攪拌槽內(nèi)流體混沌混合行為是十分必要的。
　　本文以自來水為介質,雙層槳攪拌反應器為研究對象,利用LabView軟件采集攪拌反應器內(nèi)壁某點壓力脈動信號,結

3、合小波分析和Matlab軟件,計算宏觀不穩(wěn)定性頻率﹑最大Lyapunov指數(shù)和多尺度熵,研究攪拌槽流體的混沌特性;采用碘液脫色可視化實驗測量其混合時間,并觀察槽中混沌規(guī)則區(qū)的演變過程,結合混合時間與流場可視化技術研究其流場結構特性,為新型攪拌槳的設計和應用提供一定的基礎。本文的具體研究內(nèi)容如下:
　?、賹嶒灢杉瘮嚢璨鄯磻髂滁c壓力脈動信號,利用小波分析對采集的時間序列數(shù)據(jù)進行消噪處理,通過Matlab軟件處理消噪后數(shù)據(jù)得到流體的宏

4、觀不穩(wěn)定頻率。結果表明,宏觀不穩(wěn)定頻率與轉速呈現(xiàn)線性增大趨勢。在180rpm以下,剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率均大于剛性槳體系,在轉速為180rpm時,離底距離為0.33T和0.5T的剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率分別為0.5096Hz和0.3459Hz。離底距離0.25T剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率消失,出現(xiàn)譜帶現(xiàn)象。流場的多尺度結構特征更加明顯,流體的混沌混合特性得到增強。
　?、趯嶒灢杉瘮嚢璨蹆?nèi)壁壓力脈動信號,在M

5、atlab平臺上運用Wolf法分析計算壓力脈動信號時間序列的最大Lyapunov指數(shù),對比分析剛性槳和剛柔組合槳兩者分別對流體混沌混合的影響。結果表明,剛柔組合槳強化流體的運動特性,是更多流體進入混沌混合狀態(tài)。在轉速為210rpm時,混合達到最佳狀態(tài),剛性槳體系最大Lyapunov指數(shù)為0.041,而剛柔組合槳體系的最大Lyapunov指數(shù)為0.048。雙層剛柔組合槳的柔性葉片通過自身的多體運動對流體進行擾動,使流體的混沌特性得到增強。

6、
　?、鄄杉瘮嚢璨蹆?nèi)壁壓力脈動信號,利用Matlab軟件計算壓力脈動時間序列數(shù)據(jù)的多尺度熵,對比分析剛性槳和剛柔組合攪拌槳對攪拌槽內(nèi)流體能量傳遞的影響。結果表明,剛柔組合槳在150rpm時的多尺度熵率與剛性槳在210rpm時基本相近。剛柔組合槳通過剛性部分的剪切和柔性部分與流體的波渦相互作用,使湍流區(qū)能量向低雷諾數(shù)區(qū)傳遞,實現(xiàn)能量的充分耗散,使整個槽體內(nèi)能量分布更為均勻。
　?、軐嶒灷玫庖好撋梢暬瘜嶒灉y量流體的混合時間,