【摘 要】
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搅拌反应器是化工、医药、生物发酵等过程中流体混合的重要装置,搅拌桨作为搅拌反应器内流体混合所需能量传递的核心部件,搅拌桨结构变化可以形成不同流场,而流体混合效率与流场结构形成、运移和演化行为密切相关。因此,设计并优化搅拌桨结构可以强化流体混沌流动,提高流体混合效率。传统刚性搅拌桨反应器内单相流体混合容易形成对称性流场结构,流场结构界面稳定,难以诱发混沌,不利于流体充分混合。气液两相混合中桨叶背后气
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目“利用流场结构界面失稳强化与调控流体混沌混合的机制（21636004）”； 重庆市技术创新与应用发展专项面上项目“搅拌反应器智能终端研发与示范（cstc2020jscx-msxmX0163）”； 横向科研项目自然科学类“钙化熟料连续酸浸装置仿真计算及优化（H20180937）”；
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搅拌反应器是化工、医药、生物发酵等过程中流体混合的重要装置,搅拌桨作为搅拌反应器内流体混合所需能量传递的核心部件,搅拌桨结构变化可以形成不同流场,而流体混合效率与流场结构形成、运移和演化行为密切相关。因此,设计并优化搅拌桨结构可以强化流体混沌流动,提高流体混合效率。传统刚性搅拌桨反应器内单相流体混合容易形成对称性流场结构,流场结构界面稳定,难以诱发混沌,不利于流体充分混合。气液两相混合中桨叶背后气穴结构难以破坏,导致气体分散程度低,气泡尺寸尺度分布不均,不利于气液两相传质。因此,需要建立搅拌桨诱发隔离区流场边界失稳,破坏桨叶背后气穴结构的方法。因此,本文提出错位刚柔桨强化单相流体混沌混合,通过错位桨叶结构和柔性桨叶颤振诱发隔离区流场边界失稳,提出错位分形刚柔桨强化气液两相分散,通过柔性分形桨叶形成细小射流破坏气穴结构。考察单相体系中的流体混沌特性、混合时间、功耗、流场结构等,气液两相体系中的流体混沌特性,局部气含率、局部气泡尺寸分布等。主要结论如下:1.单相体系①实验结果表明错位刚柔桨（PRF-RT）通过错位桨叶结构和柔性桨叶颤振作用,强化桨叶能量耗散,使隔离区流场边界失稳,提高流场的不稳定性,破坏流体涡环结构,减小或消除混合隔离区,提高流体混合效率,增大体系的最大Lyapunov指数（LLE）。当N=90 r/min时,PRF-RT桨体系的LLE分别较标准刚性桨（R-RT）和错位刚性桨（PR-RT）体系提高了 13.29%和7.25%,混合时间分别较R-RT和PR-RT桨体系缩短了 37.50%和23.08%。实验得到了 R-RT、PR-RT和PRF-RT桨体系混合时间（θm）与单位体积功耗（PV）数学拟合关系式,分别为:θm=8.14+23.52×e（-PV）/209.72、θm=5.48+20.64×e（-PV）/290.98 和 θm=4.89+18.02×e（-PV）/183.50。②数值计算结果表明PRF-RT桨可以增强流体涡环结构运动、碰撞过程,促使流体涡环结构分裂与聚并,进而减少或消除流体混合隔离区,提高流体混合效率。另外,PRF-RT桨增大了搅拌槽底、顶部液面和槽壁流体速度,提高了流体整体流动速度。2.气液两相体系①实验结果表明错位分形刚柔桨（PRFF-RT）通过柔性分形桨叶形成的细小射流,破坏了桨叶背后气穴结构,强化了气液两相分散。当N=110 r/min,Vs=0.2 m/s时,PRFF-RT桨体系LLE较R-RT桨体系提高了 5.67%,Fractal-2桨体系LLE较 Fractal-1 体系提高了 5.16%。当 Vs=0.2 m/s,Pv,g=490 W/m3 时,PRFF-RT 桨体系气泡尺寸分布范围在4.0 mm～10.0 mm,较R-RT和PR-RT桨体系更小。②数值计算结果表明PRFF-RT桨体系的气体分散更均匀,气泡尺寸分布范围较R-RT和PR-RT桨体系更小,桨叶背后气穴结构明显减小。综上所述,在单相体系中,本文通过错位刚柔桨破坏了对称性流场结构,诱发了隔离区流场结构界面失稳,强化了单相流体混沌混合。在气液两相体系中,本文通过错位分形刚柔桨破坏了桨叶背后的气穴结构,提高了气液分散程度,减小了气泡尺寸尺度分布范围。本文建立了错位刚柔桨诱发隔离区流场边界失稳,错位分形刚柔桨破坏桨叶背后气穴结构的新方法。本文的研究可为错位刚柔桨搅拌反应器内流体高效、节能混合操作提供一些理论参考。
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