【摘 要】
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搅拌反应器广泛应用于化工、冶金等过程工业,是过程强化中的核心设备。反应器内流体的混合效率与其流场结构的形成、运移和演化行为密切相关,然而,搅拌槽的结构特点致使其内部流体容易产生自相干性拟序流场结构（混合隔离区）,约70%的电机输入能量集中耗散在桨叶尖端部位与桨叶后的尾涡处而降低了能量传递效率,阻碍了流体的高效混合。本文通过脉冲射流耦合柔性桨非定常手段丰富搅拌槽内流体中的非线性行为,改善流场结构,促
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（21636004）； 重庆市产业类重点研发计划（cstc2018jszx-cyzd X0085）；
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搅拌反应器广泛应用于化工、冶金等过程工业,是过程强化中的核心设备。反应器内流体的混合效率与其流场结构的形成、运移和演化行为密切相关,然而,搅拌槽的结构特点致使其内部流体容易产生自相干性拟序流场结构（混合隔离区）,约70%的电机输入能量集中耗散在桨叶尖端部位与桨叶后的尾涡处而降低了能量传递效率,阻碍了流体的高效混合。本文通过脉冲射流耦合柔性桨非定常手段丰富搅拌槽内流体中的非线性行为,改善流场结构,促使混合隔离区中的流体向混沌态转变,对提高流体混合效率具有重要意义。本论文从脉冲射流耦合柔性桨对混合隔离区的破坏机制入手,对脉冲射流耦合柔性桨体系内流体混合特性、混沌特性及流场特性进行了研究。其中环式气体分布器气液分散体系主要考察了桨型、射流方式对最大Lyapunov指数（LLE）、气-液分散及传质性能的影响,通过CFD模拟研究了流场特性、气-液分散、湍动强度等规律。偏心射流强化单液相混合体系主要考察了桨型、射流方式对LLE、混合时间的影响,通过CFD模拟研究了流体混合时间、涡核速度分布及流场结构等规律。主要结论如下:（1）环式气体分布器-气液分散体系中,通过脉冲进气与机械搅拌相结合的混合方式,形成了脉冲气流场与机械搅拌流场的多流场耦合,能够诱发更多流体进入混沌状态,增强流体混沌程度。相比较无气流刚性桨体系,脉冲进气-刚性桨和脉冲进气-柔性桨的LLE值分别提高了约56.5%、82.6%。（2）柔性桨能显著增强桨叶周围流体的不稳定性,提高能量耗散速率,促使气-液相界面液膜层厚度减小,起到减小传质阻力强化传质的作用。在Vg=80L/min、Pv=360W/m~3时,柔性桨体系KLa较刚性桨提高了约13.5%。同时,脉冲冲击进气也能强化传质,在Vg=80L/min、Pv=360W/m~3时,脉冲进气-刚性桨体系的KLa较连续进气-刚性桨的KLa提高了约11.9%。（3）脉冲进气耦合柔性桨的桨叶柔性多体运动和脉冲气流震荡特性增强了叶轮对流体的扰动作用,流体湍动强度高,有效破坏了尾涡-气穴结构,增强了气-液分散程度。（4）偏心射流强化单液相体系中,采用非定常手段能够破坏搅拌槽内的自相干性拟序流场结构,加速示踪剂粒子扩散,提升混合效果。偏心射流、刚柔组合桨、脉冲射流均能有效增强流体混沌程度并缩短混合时间,与无射流-刚性桨体系相比,偏心连续射流-刚性桨的混合时间缩短了约55.8%;与偏心连续射流-刚性桨体系相比,偏心连续射流-柔性桨的混合时间缩短了约15.5%;与偏心连续射流-柔性桨体系相比,偏心脉冲射流-柔性桨的混合时间缩短了约15.8%。（5）偏心射流强化单液相混合体系中,高脉冲频率和低占空比的偏心脉冲射流体系强化流体混合的能力更强;相比较偏心连续射流体系,偏心脉冲射流体系的涡环结构多,促进了整个流场的流动、卷吸、混合与扩散,进一步破坏了自相干性拟序流场结构。综上所述,脉冲射流耦合柔性桨可以通过脉冲非定常射流振荡扰动作用以及柔性叶片的多体运动破坏自相干性拟序流场结构,强化搅拌槽内流体混沌混合。
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