脉冲射流-刚柔组合桨强化流体混沌混合及传质性能研究
发布时间：2021-02-16 22:27
传统搅拌反应器普遍使用刚性桨进行机械搅拌,导致反应器内容易产生混合隔离区而降低流体混合效率。采用多流场耦合诱发混沌现象,促使更多流体进入混沌状态,是提高流体混合效率的有效途径之一。结合Matlab软件编译PJ-RF-RT体系中的压力脉动信号得到最大Lyapunov指数（LLE）与多尺度熵（MSE）,探究不同脉冲周期下占空比、桨型、柔性桨叶厚度、桨离底高度及脉冲空气射流量对搅拌反应器内流体混沌混合的影响,同时,对比分析了桨型、射流类型、气流量对体积氧传质系数KLa的影响。研究结果表明,在脉冲周期T=0.4 s,占空比D=80%时,RF-RT桨体系较R-RT桨体系的LLE增大了11.58%,且RF-RT体系的MSE显著高于R-RT桨体系,表明脉冲射流刚柔组合桨体系能更好地诱发流体混沌,增大流体混合效率,均化体系能量分布。此外,脉冲射流耦合RF-RT桨体系增强了流体的湍流特性,促使液膜厚度减小,强化了传质,在单位体积功耗Pv=360 W/m3时,PJ-RF-RT体系的KLa较PJ-R-RT提高了13.46%,PJ-R-RT体系的KLa较SJ-R-RT提高了11.86%。
【文章来源】：化工学报. 2020,71(10)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
实验用桨叶类型
熵是衡量物质混乱程度的一个指标，反映了空间中能量分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵值越大。随着对熵认识的不断深入，Costa等[27]提出了多尺度熵（MSE），并计算了时间序列在多个尺度上的熵值。多尺度熵计算了时间序列在不同尺度上的样本熵值，体现了时间序列在多尺度上的不规则程度，具有较好的抗噪、抗干扰能力，对时间序列的分析更具系统性。因此本文通过计算压力脉动时间序列信号，分析搅拌系统内的多尺度熵来探究脉冲射流耦合机械搅拌体系中的能量分布规律。2.2.1桨叶类型对MSE的影响
图11对比分析了N=90 r/min、脉冲周期T=0.4 s、占空比D=80%时RF-RT柔性桨叶厚度对MSE的影响。由图11可知，随着柔性桨叶厚度的增大，体系的MSE呈先增大后减小的趋势。当柔性桨叶厚度为F/45时，体系的MSE最大，表明柔性桨叶厚度为F/45时，搅拌槽内的整体能量分布达到了一个较好的分布状态，此时RF-RT桨与脉冲空气流的协同强化流体混合的能力更强，RF-RT桨柔性桨叶的随机振动与脉冲空气射流的强扰动能力促使搅拌桨周围的流体呈现出高湍动的状态，而高湍动的流体会对搅拌槽内其他流体进行大范围扰动，使得更多流体粒子做无规性运动，有效破坏了搅拌槽内高度规律和重复性的拟序结构，槽内流体整体能量分布更加均匀，体系MSE较大。当RF-RT柔性桨叶厚度较小时（小于F/45），随着柔性桨叶厚度的增大，柔性桨对流体的实际扫略区增大，槽内流体能量分布更加均匀，体系MSE增大；当RF-RT柔性桨叶厚度较大时（大于F/45），柔性桨叶厚度的增大减弱了其随机振动能力，使得柔性桨与射流耦合强化流体混合作用减弱，槽内流体能量均匀性降低，体系MSE呈现减小的趋势。图1 1 柔性桨叶厚度对MSE的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合[J]. 熊黠,刘作华,谷德银,邱发成,王靓,陶长元,王运东. 化工学报. 2019(05)
[2]射流-搅拌耦合式煤泥浮选装置的能量转化研究[J]. 王海楠,朱金波,费之奎,朱宏政,周伟,王超,韩有理. 选煤技术. 2018(05)
[3]偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究[J]. 邱发成,刘作华,刘仁龙,全学军,陈家兴,谷德银,李兵,王运东. 化工学报. 2018(02)
[4]穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合[J]. 刘作华,许传林,何木川,谷德银,许恢琴,何海先,陶长元,王运东. 化工学报. 2017(02)
[5]新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟[J]. 刘宝庆,张义堃,刘景亮,秦福磊,林兴华,金志江. 化工学报. 2013(04)
[6]偏心空气射流双层桨搅拌反应器流场结构的分形特征[J]. 刘作华,宁伟征,孙瑞祥,周小霞,陶长元. 化工学报. 2011(03)
[7]偏心搅拌反应器内的液相混合行为[J]. 胡银玉,刘喆,杨基础,程易. 化工学报. 2010(10)
[8]偏心搅拌槽固液悬浮特性[J]. 杨锋苓,周慎杰,张翠勋,陈莲芳. 过程工程学报. 2008(06)
[9]Large Eddy Simulations of Flow Instabilities in a Stirred Tank Gen-erated by a Rushton Turbine[J]. 樊建华,王运东,费维扬. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2007(02)
本文编号：3037019
【文章来源】：化工学报. 2020,71(10)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
实验用桨叶类型
熵是衡量物质混乱程度的一个指标，反映了空间中能量分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵值越大。随着对熵认识的不断深入，Costa等[27]提出了多尺度熵（MSE），并计算了时间序列在多个尺度上的熵值。多尺度熵计算了时间序列在不同尺度上的样本熵值，体现了时间序列在多尺度上的不规则程度，具有较好的抗噪、抗干扰能力，对时间序列的分析更具系统性。因此本文通过计算压力脉动时间序列信号，分析搅拌系统内的多尺度熵来探究脉冲射流耦合机械搅拌体系中的能量分布规律。2.2.1桨叶类型对MSE的影响
图11对比分析了N=90 r/min、脉冲周期T=0.4 s、占空比D=80%时RF-RT柔性桨叶厚度对MSE的影响。由图11可知，随着柔性桨叶厚度的增大，体系的MSE呈先增大后减小的趋势。当柔性桨叶厚度为F/45时，体系的MSE最大，表明柔性桨叶厚度为F/45时，搅拌槽内的整体能量分布达到了一个较好的分布状态，此时RF-RT桨与脉冲空气流的协同强化流体混合的能力更强，RF-RT桨柔性桨叶的随机振动与脉冲空气射流的强扰动能力促使搅拌桨周围的流体呈现出高湍动的状态，而高湍动的流体会对搅拌槽内其他流体进行大范围扰动，使得更多流体粒子做无规性运动，有效破坏了搅拌槽内高度规律和重复性的拟序结构，槽内流体整体能量分布更加均匀，体系MSE较大。当RF-RT柔性桨叶厚度较小时（小于F/45），随着柔性桨叶厚度的增大，柔性桨对流体的实际扫略区增大，槽内流体能量分布更加均匀，体系MSE增大；当RF-RT柔性桨叶厚度较大时（大于F/45），柔性桨叶厚度的增大减弱了其随机振动能力，使得柔性桨与射流耦合强化流体混合作用减弱，槽内流体能量均匀性降低，体系MSE呈现减小的趋势。图1 1 柔性桨叶厚度对MSE的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合[J]. 熊黠,刘作华,谷德银,邱发成,王靓,陶长元,王运东. 化工学报. 2019(05)
[2]射流-搅拌耦合式煤泥浮选装置的能量转化研究[J]. 王海楠,朱金波,费之奎,朱宏政,周伟,王超,韩有理. 选煤技术. 2018(05)
[3]偏心射流-刚柔组合桨搅拌器内混沌混合行为研究[J]. 邱发成,刘作华,刘仁龙,全学军,陈家兴,谷德银,李兵,王运东. 化工学报. 2018(02)
[4]穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合[J]. 刘作华,许传林,何木川,谷德银,许恢琴,何海先,陶长元,王运东. 化工学报. 2017(02)
[5]新型同心双轴搅拌器功率与混合特性的数值模拟[J]. 刘宝庆,张义堃,刘景亮,秦福磊,林兴华,金志江. 化工学报. 2013(04)
[6]偏心空气射流双层桨搅拌反应器流场结构的分形特征[J]. 刘作华,宁伟征,孙瑞祥,周小霞,陶长元. 化工学报. 2011(03)
[7]偏心搅拌反应器内的液相混合行为[J]. 胡银玉,刘喆,杨基础,程易. 化工学报. 2010(10)
[8]偏心搅拌槽固液悬浮特性[J]. 杨锋苓,周慎杰,张翠勋,陈莲芳. 过程工程学报. 2008(06)
[9]Large Eddy Simulations of Flow Instabilities in a Stirred Tank Gen-erated by a Rushton Turbine[J]. 樊建华,王运东,费维扬. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2007(02)
本文编号：3037019
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