穿流—柔性组合桨强化流体混沌混合行为的研究

发布时间：2017-11-23 09:24

  本文关键词：穿流—柔性组合桨强化流体混沌混合行为的研究

  更多相关文章： 穿流-柔性组合桨 K熵 最大Lyapunov指数 宏观不稳定性频率 流场结构

【摘要】：在石油炼制、化学工业以及冶金等工业中,搅拌反应器是重要的单元操作,其流体混合的效果决定着经济性。其工作机理为搅拌轴转动获得机械能并通过与流体作用把机械能传递给流场,流体获得能量并产生较好的流场结构,强化了流体微粒在流场中的质量传递以及热量传递,提高工业生产的能效。众所周知,搅拌槽的核心部分是桨叶,它直接与流体作用把能量传递给流场。因此,优化设计搅拌桨叶和分析研究流场结构是流体动力学领域比较热门的两个方向。按照实际需要,科研人员研制出许多新式搅拌桨,并且这些桨叶在工业生产中有着很好的应用。在这其中,穿流-柔性组合桨与流体介质可发生固体-柔性-流场的相互耦合作用可改善结构的分布,因此,分析穿流-柔性组合桨的工作机制和介质混合行为具有重要的生产应用价值。本实验以双层搅拌桨为研究对象。在实验过程中,搅拌反应槽中某一点的内壁压力数据均采用LabVIEW软件采集而得,然后用Matlab软件对采集的数据进行计算,并通过计算获得的数据对不同桨叶体系中的流体混沌混合特性进行分析和比较。在实验研究中,不同桨叶体系流体的混沌混合特性主要是通过K熵的大小、最大Lyapunov指数和宏观不稳定性频率等特征参数来说明。实验主要探索和研究了穿流-柔性组合桨强化搅拌槽内的流体混沌行为,目的在于为流体混合的放大实验和实际生产应用提供一定的理论基础和数据支撑。本文的具体研究内容如下:(1)实验利用采集系统采集内壁压力脉动信号,结合G-P算法以及最小二乘法原理,依次考察了桨叶类型以及柔性部件长度对K熵的影响。结果表明,转速在180r·min~(-1)以下时,穿流桨没有起到增强混沌的作用。而穿流-柔性组合桨体系的K熵值均大于传统桨体系,穿流-柔性组合桨通过柔性部件与穿流孔的作用,抑制了桨叶附近流场的拟序结构的单一性和固定性,强化了介质混合。转速N≤180 r·min~(-1)时,在1 cm~5 cm的范围内,穿流-柔性组合桨体系的K熵值随着柔性材质长度的增加而增大;(2)实验使用OpenTSTOOL程序包计算压力数据的最大Lyapunov指数。考察分析了数据采样点位置、转速、穿流-柔性组合桨以及上下层桨叶间距对最大Lyapunov指数的影响。实验排除了监测位置对搅拌反应槽中流场的最大Lyapunov指数的影响。流场非线性时间序列的最大Lyapunov指数均呈现随转速先增大后减小的变化趋势,转速为180 r·min~(-1)时,混合程度最好。穿流-柔性组合桨要比传统桨更容易使流场进入混沌状态,并且随着柔性部件长度的增加,最大Lyapunov指数值稍有增加。当转速为180 r·min~(-1)时,上下层桨叶间距为T和1.1T的最大Lyapunov指数分别为0.0136和0.0138,此时,桨叶间距0.3T的双层穿流-柔性组合桨体系的最大Lyapunov指数为0.0143,为三种条件下的最大值,说明该条件下的流体混沌混合增强效果最佳;(3)实验运用数据采集系统采集提取反应器内壁面的非线性时间序列,按照频谱,依次考察了搅拌转速、穿流-柔性组合桨和上下层桨叶间距对宏观不稳定性频率的影响。随着搅拌转动的加快,反应器内流场的宏观不稳定性频率线性关系增长,两者之间的数学表达式为fMI=0.0018N。在搅拌转速低于180 r·min~(-1)时,穿流-柔性组合桨体系的宏观不稳定性频率要多出传统桨体系的许多。在穿流-柔性组合桨体系的搅拌转动达到180 r·min~(-1)的速度时,桨叶间距为1.2T的流场没有出现宏观不稳定性,同时桨叶间距为1.1T和T流场的宏观不稳定性频率分别是0.4097 Hz和0.3356 Hz;(4)实验利用脱色法测量计算搅拌反应器内介质混合所需要的时间。考察了穿流桨、穿流-柔性组合桨和桨叶间距对混合时间的影响,并对槽内流场进行了可视化分析。ln t与N之间线性拟合程度较好,并且随着转动的加快,介质的混合时间逐渐降低。穿流桨体系介质的混合时间要稍低于传统桨体系,但并不太明显,穿流桨并没有起到很好的降低混合时间的作用。而穿流-柔性组合桨体系的混合时间比传统桨体系的要低,并且在搅拌转速相对较低时两者的差别更加突出。上下层桨叶间距可影响着双层穿流-柔性组合桨体系的混合时间,在桨叶之间加入柔性材质就可以很好抑制桨叶之间隔离区的形成,有利于流体介质的混合,从而提高介质混合速度。
【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

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本文编号：1217988