柔性攪拌軸強(qiáng)化流體混沌混合行為研究.pdf

1、攪拌軸是攪拌反應(yīng)器的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體混合性能。攪拌反應(yīng)器利用動力輸出裝置帶動攪拌軸及攪拌槳轉(zhuǎn)動，使流體能夠獲得其適宜的流場，強(qiáng)化整個攪拌過程中的傳熱和傳質(zhì)，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和能力。然而，已有研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)剛性攪拌軸的附近區(qū)域易形成周期性和對稱性流場結(jié)構(gòu)，會降低流體的混合效率。并且剛性攪拌軸在轉(zhuǎn)速較大時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致和反應(yīng)器連接的所有管道均發(fā)生劇烈跳動，存在一定的安全隱患。為此，開發(fā)結(jié)構(gòu)優(yōu)

2、化的攪拌軸，深刻認(rèn)識其強(qiáng)化流體混合過程中的非線性動力學(xué)行為，指導(dǎo)高效節(jié)能攪拌反應(yīng)器的開發(fā)和應(yīng)用，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價值。
　　本文以柔性攪拌軸為研究對象，從攪拌過程強(qiáng)化入手，分別以水和高粘度液體為工作介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過研究柔性攪拌軸的受力分析及柔性攪拌軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)對攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體流場和混沌特性參數(shù)的影響，結(jié)合小波分析及Matlab計算軟件，計算攪拌反應(yīng)器內(nèi)單位體積功耗（Pv）、最大 Lyapunov指數(shù)（LEma

3、x）和多尺度熵（MSE），研究攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體的混沌混合特性；同時，利用相機(jī)拍攝記錄柔性攪拌軸攪拌反應(yīng)器內(nèi)液體的混合過程，并且記錄相應(yīng)混合時間，得到如下結(jié)果：
　?、傧嗤D(zhuǎn)速下，剛性攪拌軸受到的扭矩大于柔性攪拌軸受到的扭矩。扭矩值越大，攪拌軸的橫截面上形成的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力越大，對攪拌軸的破壞也相應(yīng)變得越大。與剛性攪拌軸相比，柔性攪拌軸通過活性鏈接消除掉了一部分扭矩，一定程度上抑制了轉(zhuǎn)速過大帶來的共振現(xiàn)象，并且擴(kuò)大了攪拌區(qū)域，直接推動

4、和加強(qiáng)了攪拌能量的傳遞和擴(kuò)散。
　　②對于低粘度體系和高粘度體系，柔性攪拌軸體系存在著混沌強(qiáng)化的情況。隨著功耗的增大，剛性攪拌軸體系與柔性攪拌軸體系的混合時間均減小，并且lntmix隨著 lnPV的變化有較好的線性關(guān)系。對于低粘度體系，柔性攪拌軸體系較剛性攪拌軸體系的流體混合時間縮短了73.49％；對于高粘度體系，柔性攪拌軸體系較剛性攪拌軸體系的流體混合時間縮短了65.34%。
　　③對于低粘度體系和高粘度體系，剛性攪拌軸與

5、柔性攪拌軸兩個體系的LEmax均大于零，且均隨著單位體積功耗的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，表明體系都已經(jīng)進(jìn)入混沌狀態(tài)，且可用LEmax來表征體系的混沌強(qiáng)化。對于低粘度體系，兩者相比，柔性攪拌軸體系在低功耗時混合就能達(dá)到很好，且最大LEmax值增加了12.57%；對于高粘度體系，兩者相比，柔性攪拌軸體系LEmax的最大值較剛性攪拌軸體系來說增大了10.45%。
　　④對于低粘度體系和高粘度體系，剛性攪拌軸體系的LEmax均較小，