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熔池熔炼过程中,搅拌反应器内金属或矿物处于混合状态,气相与液相共存,传统的实验室方法和现场观测远远无法满足新形势的发展。为了获取熔池内混合过程的信息及节省实验成本,采用物理模拟方法揭示熔池熔炼混合过程中的现象及规律是当今冶金学领域的重要内容。本文以气-液搅拌反应器内流体的混合效果为研究对象,结合数字图像处理技术、计算同调群理论、均匀性度量理论和混沌辨识理论,设计气-液两相混合水动力学模型实验。首先,捕获气-液混合过程的彩色实验图像,结合数字图像处理技术处理实验图像。其次,引入图像分割算法、贝蒂数计算程序、偏差以及0-1测试手段等数理方法研究实验图像数据,结合流体混合效果的评价方法研究气-液两相流流体混合效果。研究内容主要涉及设计气-液两相混合水动力学模型实验,考察气体喷吹条件对混合效果的影响,利用贝蒂数法和偏差法测定混匀时间及运用0-1测试法表征流场的混沌行为。主要结论如下:(1)贝蒂数法和偏差法可用于研究顶吹搅拌混合水动力学模型实验的混合效果。运用上述两种数理方法测定混匀时间以评价实验工况的混合效果,探究了插入深度l(cm)和喷吹气量Q(L/h)对流场混合效果的影响,将标准差序列的平均值作为对比方法验证了两种方法的有效性。(2)多相搅拌体系的高效运行,可以产生高度非线性的混沌混合现象。通过引入0-1测试法并验证其有效性,以底吹搅拌混合水动力学模型实验中气-液混合界面区域内的流体混沌特性为研究对象,结合数字图像分析技术提取气泡图像特征气含率,获取了喷枪布置方式对流场中混沌混合行为的影响规律。通过对六组工况的气含率时间序列进行0-1测试,研究发现0-1测试法在一定程度上能够区分不同混合过程的混沌强弱。(3)K_c中位数的取值范围为(0,1),当K_c中位数趋于1,表示时间序列具有混沌特性。0-1测试中K_c中位数能够用于区分搅拌反应器内的混沌特性强弱,进而优化喷枪布置方式。同时为各类搅拌反应器内流体混沌混合提供了新的测试方法,可为在线应用提供了重要的理论依据,并一定程度上丰富了冶金反应搅拌器内部流场的可视化研究。