剛柔組合槳強化流體混合的實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、攪拌槳作為機械攪拌反應器中的主要部件之一，它能在攪拌反應器工作時提供給流體一定的流動狀態(tài)和適合的能量，對它進行合理設計是流體實現(xiàn)節(jié)能和高效混合的重要途徑。攪拌過程中能量的耗散主要發(fā)生在槳葉后的尾渦處和槳葉外緣，大約占據(jù)了攪拌槳總輸入機械能的70％。以剛性材質為主的傳統(tǒng)攪拌槳通過對流體聚并與剪切作用實現(xiàn)能量的傳遞，混合效率低及能耗高；而周圍流體與剛-柔結合的攪拌槳的槳葉柔性端存在耦合作用，它可從“卡門渦街”中汲取能量，進而提高混合效率。<

2、br>　　流體混合效率和攪拌槳結構有直接關系，流體與柔性槳葉之間存在力的耦合作用，攪拌槳柔性尖端葉片在流體載荷作用下會產生一定量的變形或位移，葉片的位移或變形又可以反過來影響流場變化，引起流體載荷分布和大小的轉變，從而影響流體混合。因此，數(shù)值模擬中的流固耦合分析方法可用于指導剛柔組合槳攪拌反應器設計與研究流體混合行為。
　　本文以自來水和空氣-自來水為攪拌介質，結合采集的壓力脈動信號和扭矩時間序列，借助Matlab軟件和小波分析方

3、法計算LEmax分析體系的混沌混合特性；利用碘液脫色法和流場可視化方法測試體系的混合時間、混合效果以及采用軸上扭矩法計算攪拌槳功耗分析體系的宏觀混合性能；并結合ANSYSWorkbench仿真平臺、雙向流固耦合及張量分析方法計算流場的速率特性、氣含率以及攪拌槳的總變形量、等效應力；同時，運用數(shù)值計算方法對工業(yè)中攪拌反應器的結構進行優(yōu)化改進。具體研究內容如下：
　?、僖宰詠硭鳛閱蜗嗔骰旌象w系，本文對比分析了剛性槳和剛柔組合槳體系L

4、Emax、混合時間、速率特性以及兩種攪拌槳的功耗、總變形量、等效應力。結果表明：在轉速為120rpm時，剛柔組合槳使體系LEmax增大了20%，混合時間縮短了32%，攪拌槳功耗下降了6%，其槳葉尖端的變形量是剛性槳的105倍，其應力比剛性槳增加了83%；與剛性槳相比，剛柔組合槳在流固耦合作用下對流體的作用力更大，能夠更好地傳遞能量、增強流體運動及強化流體混合。
　?、谝钥諝?自來水為氣液兩相流混合體系，本文對比分析了剛性槳和剛柔組

5、合槳體系LEmax、氣液混合行為、速率特性、氣含率。結果表明：在轉速為180rpm，空氣流量為1500L/h時，剛柔組合槳使單層槳體系LEmax增加了21%、雙層槳體系LEmax增加了5%，且氣泡的混合程度優(yōu)于剛性槳；而剛性槳給流體提供了較強的剪切作用，提高了氣泡的破碎能力，增加了體系中氣泡的數(shù)目。
　　③結合流場結構分析，在浸出攪拌反應器中調整雙層槳的層間距為1800mm以及安裝三層槳或導流筒，或在高速分散反應釜中調整雙層槳的層