浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性研究.pdf

1、浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器是在靜態(tài)射流混合器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型反應(yīng)器。它的基本原理是，安裝在兩個(gè)導(dǎo)流筒進(jìn)口段的螺旋槳推進(jìn)器輸送流體沿導(dǎo)流筒高速流動(dòng)，流體在反應(yīng)器中心處相向撞擊，形成一個(gè)高速湍動(dòng)的撞擊區(qū)。撞擊后，流體轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)動(dòng)，沿導(dǎo)流筒與側(cè)壁間的環(huán)室回流，到達(dá)導(dǎo)流筒的入口，再次被螺旋槳推送通過導(dǎo)流筒進(jìn)入撞擊區(qū)。這種反應(yīng)器與傳統(tǒng)的攪拌槽反應(yīng)器相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。特別在撞擊流反應(yīng)—沉淀制取超細(xì)粉體方面，已具有成功的應(yīng)用。但用現(xiàn)有的理論，還不

2、能加以解釋。通過對(duì)浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)數(shù)值模擬，全面了解這種新型反應(yīng)器速度、壓力分布特性，用以指導(dǎo)這種反應(yīng)器的應(yīng)用和放大。并通過壓力波動(dòng)特性的測(cè)試分析，揭示浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)撞擊流壓力波動(dòng)的基本規(guī)律，既可以豐富和發(fā)展關(guān)于撞擊流壓力波動(dòng)的描述，又可為浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用指明方向。既具有重要的理論意義，又具有工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義，同時(shí)可能帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。 本文在綜述國內(nèi)外關(guān)于反應(yīng)器的數(shù)值模擬、反應(yīng)器內(nèi)微觀

3、混合特性和壓力波動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值求解和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的辦法，對(duì)浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。 在建立浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的物理模型、數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立其求解控制方程，將攪拌器的葉輪處理成“黑箱”，賦以初始速度，應(yīng)用通用的有限元流場(chǎng)分析軟件，對(duì)該反應(yīng)器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。得出反應(yīng)器中的速度分布和壓力分布關(guān)于z軸和x軸對(duì)稱；而關(guān)于y軸則非對(duì)稱，其原因在于結(jié)構(gòu)約束不同，上部為自由界面

4、，下部則為封閉的室體。并且通過對(duì)流場(chǎng)不同截面的速度和壓力分布分析，初步可判定撞擊區(qū)范圍；在導(dǎo)流筒內(nèi)初始速度V0=1.0m/s下，撞擊影響強(qiáng)烈的區(qū)域?yàn)椋?25≤z≤25mm，-25≤y≤25mm，-15≤x≤15mm的橢球形區(qū)域。撞擊區(qū)的壓力高，且在對(duì)稱中心區(qū)達(dá)到最大值。通過改變導(dǎo)流筒內(nèi)流體的初始速度，流場(chǎng)中的速度和壓力變化遵循相同的規(guī)律。 選用經(jīng)典的競爭串聯(lián)反應(yīng)體系，通過建立數(shù)學(xué)模型，并利用自編的計(jì)算程序進(jìn)行求解，得出了反應(yīng)物及

5、生成物的濃度分布時(shí)空變化圖，該圖較好地反映出微觀混合控制區(qū)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，各組分物質(zhì)濃度的變化情況。數(shù)值求解結(jié)果表明，分隔指數(shù)Xs值停留在0.0160～0.2400范圍內(nèi)，而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值大約為0.0141～0.3004，兩者相差不超過20％，處于工程計(jì)算誤差許可范圍之內(nèi)。 首次采用高精度壓力傳感器和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，測(cè)試了浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動(dòng)特性。結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)均存在一定程度的壓力波動(dòng)，其壓力波動(dòng)數(shù)值從幾帕斯卡到幾

6、十帕斯卡，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大，各測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅度總體呈增大趨勢(shì)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)撞擊區(qū)附近的壓力波動(dòng)一階主頻率均高于1000Hz，可以認(rèn)為該壓力波動(dòng)屬高頻壓力波動(dòng)。正是這種高頻波動(dòng)，造成了反應(yīng)-沉淀過程中流體微團(tuán)與顆粒的分散，細(xì)化了反應(yīng)產(chǎn)物。 簡要介紹了進(jìn)行非線性分析的混沌理論，介紹了混沌分析的三個(gè)基本特征參數(shù)：分?jǐn)?shù)維數(shù)、Lyapunov準(zhǔn)數(shù)和Kolmogorov.熵及其計(jì)算方法。并首次應(yīng)用該理論計(jì)算了浸沒