柔性搅拌桨的混合和变形特性研究

发布时间：2020-04-26 03:08

【摘要】：搅拌与混合作为各工业中的基本单元操作,广泛应用在食品、医药、废水处理等行业中。搅拌桨不同的结构形式直接决定了搅拌流场的特性、搅拌效果和混合效果等。相关研究发现,由于柔性搅拌桨的材料性能不同,在搅拌过程中流固耦合的作用较强,使得柔性搅拌桨在流体的搅拌与混合过程中有一定的优势。本课题以此为基础,以传统六直叶圆盘涡轮搅拌桨和柔性叶片六直叶圆盘涡轮搅拌桨(通过用同等尺寸的橡胶材料叶片代替原始刚性叶片而获得)为研究对象,通过平面激光诱导荧光(PLIF)实验测试和CFD数值模拟研究,对比分析两种桨的混合特性;并且通过无限扭矩测试技术对柔性搅拌桨叶的微应变特性进行实验研究。通过对PLIF实验获得的数据,包括荧光剂浓度分布图,荧光剂各浓度值占比直方图等的对比,分析了两种搅拌桨在以水为介质的搅拌槽中的混合特性。结果表明,随着转速的增加,混合时间的数值是在逐渐变小的。柔性桨搅拌作用下的混合时间较小,且荧光剂扩散至近液面处(P4)以及搅拌槽底部(P1)的时间较短。柔性搅拌桨可以更快的将荧光剂分散在搅拌槽中,且搅拌槽内的混合均匀程度及混合速度均优于刚性搅拌桨,具有更高的混合效率。通过CFD数值模拟对两种桨在不同监测点处的混合时间和示踪剂浓度分布情况进行了分析研究。结果表明,示踪剂浓度随时间的响应曲线均是先上升后下降的趋势,经过一段时间的波动后再逐渐趋于平衡。在靠近搅拌桨边缘处的监测点得到的混合时间相对较小,在远离搅拌桨边缘处测得的混合时间相对较大。这与实验测量得到的规律一致。混合时间的大小与浓度曲线的波动程度与监测点的位置选取有关。在转速一定,搅拌介质不同的情况下混合时间大小相差不大,不同之处在于浓度曲线的波动程度。在z=30mm,z=100mm,z=170mm三个平面内,柔性搅拌桨槽内的示踪剂分布情况优于刚性搅拌桨,z=240 mm平面内刚性搅拌桨的示踪剂浓度值更高,但柔性搅拌桨槽内的示踪剂分布更加靠近搅拌槽中心线处。最后通过无限扭矩测试技术测得柔性搅拌桨在搅拌过程中的应变变化规律。主要获得的结论如下:柔性搅拌桨叶在搅拌过程中的应变随时间变化曲线类似于正弦曲线,围绕着某一数值(应变均值)上下浮动,且应变的均值随着转速的增加而增大。应变最值和均值随转速的变化规律基本相近,均随着转速的增加而增大,证明随着转速的增加,流体与桨叶之间的相互作用是不断增强的;而应变的波动范围在较低转速范围内是随着搅拌转速的增加而增大的,但是当转速到达2 r/s时,波动幅度会随着转速的增加而减小。
【图文】：

得到了广泛的应用［３４］。逡逑平面激光诱导荧光技术的测量原理是利用激光的激发下荧光物质吸收光子逡逑后，会由基态跃迁之后再返回基态，返回的过程中产生荧光，如图１．１所示。逡逑＾邋ＩＭＢＣＳｉＯＡＯｌ逡逑？々遵邋ｔｇＭ逡逑Ｔ邋—逡逑Ｏｐｔａｔ逡逑Ｆｌｏ？一邋’邋＼逦／逦＼逡逑／逡逑（逦０Ｍ？逦Ｏｍｉｍ逡逑■．一？邋＜逡逑ｉｊｙ邋｜邋ｖＨ｜｜逡逑图１．１邋ＰＩＶ／ＰＬＩＦ测试技术原理图逡逑在加入荧光剂后，流体的混合过程中，拍摄区域内某一点的荧光强度和荧光逡逑剂的浓度之间的关系式如式１－１所示：逡逑／：／＞＿＃邋（Ｍ）逡逑４逡逑

对高黏度流体，固－液混合体系的搅拌混合效果进行改善等。逡逑其中关于六直叶涡轮桨研究有很多。２０１３年［５７］，采用酸－碱中和脱色法测定逡逑了如图１．２所示的刚性六直叶涡轮桨和三种柔性材料的六直叶涡轮柔性桨的混合逡逑时间；采用扭矩传感器测定了扭矩并计算出搅拌功率数值，，得出刚柔组合桨的混逡逑合效率较高。逡逑眷赞逡逑（ａ）刚性六直叶圆搅拌桨逦（ｂ）刚柔组合六直叶搅拌桨逡逑图１．２搅拌桨结构图逡逑刘作华等＠采用酸－碱中和脱色法，对如图１．３所示的四种搅拌桨的混合时逡逑间进行了测定，结果表明，柔性搅拌桨可以破坏混合隔离区，并有效的缩短混合逡逑７逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.72

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本文编号：2641014