柔性搅拌轴强化流体混沌混合行为研究

发布时间：2017-10-27 00:07

  本文关键词：柔性搅拌轴强化流体混沌混合行为研究

  更多相关文章： 柔性搅拌轴 混沌混合 最大李雅普诺夫指数(LEmax) 多尺度熵(MSE) 非线性

【摘要】：搅拌轴是搅拌反应器的核心部件之一,其结构类型和结构参数直接影响着搅拌反应器内流体混合性能。搅拌反应器利用动力输出装置带动搅拌轴及搅拌桨转动,使流体能够获得其适宜的流场,强化整个搅拌过程中的传热和传质,进而提高生产效率和能力。然而,已有研究发现传统刚性搅拌轴的附近区域易形成周期性和对称性流场结构,会降低流体的混合效率。并且刚性搅拌轴在转速较大时,会产生共振现象,导致和反应器连接的所有管道均发生剧烈跳动,存在一定的安全隐患。为此,开发结构优化的搅拌轴,深刻认识其强化流体混合过程中的非线性动力学行为,指导高效节能搅拌反应器的开发和应用,具有重要的理论意义和现实价值。本文以柔性搅拌轴为研究对象,从搅拌过程强化入手,分别以水和高粘度液体为工作介质进行实验。通过研究柔性搅拌轴的受力分析及柔性搅拌轴的结构参数与操作参数对搅拌反应器内流体流场和混沌特性参数的影响,结合小波分析及Matlab计算软件,计算搅拌反应器内单位体积功耗(Pv)、最大Lyapunov指数(LEmax)和多尺度熵(MSE),研究搅拌反应器内流体的混沌混合特性;同时,利用相机拍摄记录柔性搅拌轴搅拌反应器内液体的混合过程,并且记录相应混合时间,得到如下结果:(1)相同转速下,刚性搅拌轴受到的扭矩大于柔性搅拌轴受到的扭矩。扭矩值越大,搅拌轴的横截面上形成的扭转剪切应力越大,对搅拌轴的破坏也相应变得越大。与刚性搅拌轴相比,柔性搅拌轴通过活性链接消除掉了一部分扭矩,一定程度上抑制了转速过大带来的共振现象,并且扩大了搅拌区域,直接推动和加强了搅拌能量的传递和扩散。(2)对于低粘度体系和高粘度体系,柔性搅拌轴体系存在着混沌强化的情况。随着功耗的增大,刚性搅拌轴体系与柔性搅拌轴体系的混合时间均减小,并且lntmix随着lnPV的变化有较好的线性关系。对于低粘度体系,柔性搅拌轴体系较刚性搅拌轴体系的流体混合时间缩短了73.49%;对于高粘度体系,柔性搅拌轴体系较刚性搅拌轴体系的流体混合时间缩短了65.34%。(3)对于低粘度体系和高粘度体系,刚性搅拌轴与柔性搅拌轴两个体系的LEmax均大于零,且均随着单位体积功耗的增大而呈现出先增大后减小的趋势,表明体系都已经进入混沌状态,且可用LEmax来表征体系的混沌强化。对于低粘度体系,两者相比,柔性搅拌轴体系在低功耗时混合就能达到很好,且最大LEmax值增加了12.57%;对于高粘度体系,两者相比,柔性搅拌轴体系LEmax的最大值较刚性搅拌轴体系来说增大了10.45%。(4)对于低粘度体系和高粘度体系,刚性搅拌轴体系的LEmax均较小,说明了系统的混沌程度较低,体系表现出的熵值也较低,而柔性搅拌轴体系的LEmax相对较大,体系内流体运动轨迹也相对复杂,其熵值也较高。
【关键词】：柔性搅拌轴 混沌混合 最大李雅普诺夫指数(LEmax) 多尺度熵(MSE) 非线性
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ027.1
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 机械搅拌设备简介10-12
• 1.2.1 机械搅拌设备构成10-11
• 1.2.2 搅拌轴11-12
• 1.3 国内外研究现状12-13
• 1.3.1 搅拌设备的发展12
• 1.3.2 搅拌反应器内流体的混合特性12-13
• 1.4 混沌混合13-16
• 1.4.1 混沌的基本概念13-14
• 1.4.2 混沌混合的研究方法14-16
• 1.4.3 混沌混合判据和表征16
• 1.5 混合性能的表征16-17
• 1.5.1 混合时间（Mixing Time）16-17
• 1.5.2 流场可视化技术17
• 1.6 课题研究目的和研究内容17-19
• 1.6.1 课题研究目的17-18
• 1.6.2 课题主要研究内容18-19
• 2 实验部分19-30
• 2.1 实验装置及介质19-22
• 2.1.1 实验装置19-20
• 2.1.2 柔性轴及搅拌桨构造20-21
• 2.1.3 实验工作介质21-22
• 2.2 数据采集装置22-26
• 2.3 实验方法26
• 2.4 实验数据分析方法26-28
• 2.4.1 最大李雅普诺夫指数（LEmax）26-27
• 2.4.2 多尺度熵（MSE）27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 3 柔性搅拌轴强化低粘度流体混合实验研究30-43
• 3.1 刚性轴与柔性轴的受力分析30-31
• 3.2 混合时间分析31-35
• 3.2.1 搅拌轴的类型对低粘度体系混合性能的影响31-33
• 3.2.2 搅拌桨直径对柔性搅拌轴低粘度体系混合性能的影响33-34
• 3.2.3 柔性搅拌轴的类型对低粘度体系混合性能的影响34-35
• 3.3 最大李雅普诺夫指数（LEMAX）35-38
• 3.3.1 搅拌轴的类型对低粘度体系LEmax的影响35-36
• 3.3.2 搅拌桨直径对柔性搅拌轴低粘度体系LEmax的影响36-37
• 3.3.3 柔性搅拌轴的类型对低粘度体系LEmax的影响37-38
• 3.4 多尺度熵（MSE）38-41
• 3.4.1 搅拌轴类型的影响39
• 3.4.2 柔性搅拌轴类型的影响39-40
• 3.4.3 搅拌桨直径的影响40-41
• 3.5 宏观混合效果图41-42
• 3.6 小结42-43
• 4 柔性搅拌轴强化高粘度流体混合实验研究43-55
• 4.1 混合时间分析43-47
• 4.1.1 搅拌轴的类型对高粘度体系混合性能的影响43-44
• 4.1.2 搅拌桨直径对柔性搅拌轴高粘度体系混合性能的影响44-45
• 4.1.3 柔性搅拌轴的类型对高粘度体系混合性能的影响45-47
• 4.2 最大李雅普诺夫指数（LEMAX）47-50
• 4.2.1 搅拌轴的类型对高粘度体系LEmax的影响47-48
• 4.2.2 搅拌桨直径对柔性搅拌轴高粘度体系LEmax的影响48-49
• 4.2.3 柔性搅拌轴的类型对高粘度体系LEmax的影响49-50
• 4.3 多尺度熵（MSE）50-52
• 4.3.1 搅拌轴类型的影响50
• 4.3.2 柔性搅拌轴类型的影响50-51
• 4.3.3 搅拌桨直径的影响51-52
• 4.4 宏观混合效果图52-53
• 4.5 小结53-55
• 5 结论与展望55-57
• 5.1 结论55
• 5.2 展望55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-63
• 附录63-66
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文63
• B. 作者在攻读学位期间发明的专利63
• C. 混沌特性参数MATLAB计算程序63-66

【参考文献】

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本文编号：1101041