剛-柔組合槳強化高粘度固液兩相流體混合的研究.pdf

1、攪拌設(shè)備普遍存在于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中,其工作原理是通過攪拌器的旋轉(zhuǎn)向槽內(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(zhì),提高生產(chǎn)效率。高粘度固液兩相混合是石油、食品、醫(yī)藥、高分子材料等領(lǐng)域常見的單元操作,目前存在的問題是:若輸入單位體積功耗(Pv)較小,顆粒易堆積,不能有效地分散于全槽;若Pv較大,固液兩相能實現(xiàn)良好混合,但是轉(zhuǎn)軸承受的扭矩過大,易造成機械損耗,且不適合對剪切敏感的高分子材料體系。因此,有必要探尋一種在適中功耗下

2、就能實現(xiàn)高粘度固液兩相良好混合的方式。
　　眾所周知,攪拌槳是攪拌設(shè)備的核心部件,通過槳葉的旋轉(zhuǎn),能量從電機傳輸?shù)讲蹆?nèi)流體,設(shè)計制造合理的攪拌槳是獲得高效混合的一種可靠方法。本文旨在通過改造攪拌槳來強化流體混合效果,在傳統(tǒng)剛性槳的基礎(chǔ)上,加入柔性部件制造出新型的剛?cè)峤M合攪拌槳,擬利用剛-柔-流耦合作用將能量充分?jǐn)U散至全槽,減少攪拌死區(qū)的體積。
　　本文以甘油為液相,PP固體顆粒為固相,利用扭矩傳感器采集扭矩信號,結(jié)合Matl

3、ab軟件計算最大Lyapunov指數(shù)(LEmax)來分析攪拌槽內(nèi)流體的混沌特性;采用酸-堿化學(xué)消色法確定體系混合時間(tmix),分析體系的混合性能;使用Fluent模擬流場結(jié)構(gòu)特性,探究流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對比實驗結(jié)果與數(shù)值模擬,確定剛?cè)峤M合槳較傳統(tǒng)剛性槳是否更有利于高粘度固液兩相的混合,具體研究內(nèi)容如下:
　?、賹嶒炗锰摂M扭矩傳感儀采集了各體系的扭矩時間序列數(shù)據(jù),計算出混沌參數(shù)LEmax,比較了剛?cè)峤M合攪拌槳和剛性槳對自浮顆粒體系及

4、下沉顆粒體系混沌混合的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):組合槳在較低功耗時(Pv<3000w·m-3)就能引起很好的混沌混合;剛性槳體系的混沌不會隨著固含率(Cv)的增加有明顯的變化;組合槳體系的混沌會隨著Cv的增加而增強。
　　②實驗用酸-堿化學(xué)消色法確定了自浮顆粒體系與下沉顆粒體系的tmix,對比分析了組合槳和剛性槳在相同Pv時對不同體系混合性能的影響,同時考察了柔性部件長度分別為2cm、3cm、4cm時體系的混合效果,具體實驗結(jié)果為:logt

5、mix與logPv呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,與槳葉類型無關(guān);與剛性槳相比,組合槳能夠大大縮短自浮顆粒與下沉顆粒體系的tmix,且柔性部件越長,混合效果越好;當(dāng)剛?cè)峤M合槳與剛性槳葉長度相同時,組合槳具有明顯的優(yōu)勢,能有效縮短tmix。
　?、塾肍luent模擬了剛性槳、組合槳的流場結(jié)構(gòu),通過分析速度云圖、速度矢量圖、速度散點圖后發(fā)現(xiàn):不管是剛性槳,還是組合槳,流場均呈現(xiàn)很好的軸對稱結(jié)構(gòu);對于確定長度的組合槳,功耗過小或者過大混合效果均不理