本文關(guān)鍵詞：穿流—柔性組合槳強(qiáng)化流體混沌混合行為的研究

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【摘要】：在石油煉制、化學(xué)工業(yè)以及冶金等工業(yè)中,攪拌反應(yīng)器是重要的單元操作,其流體混合的效果決定著經(jīng)濟(jì)性。其工作機(jī)理為攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)獲得機(jī)械能并通過(guò)與流體作用把機(jī)械能傳遞給流場(chǎng),流體獲得能量并產(chǎn)生較好的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),強(qiáng)化了流體微粒在流場(chǎng)中的質(zhì)量傳遞以及熱量傳遞,提高工業(yè)生產(chǎn)的能效。眾所周知,攪拌槽的核心部分是槳葉,它直接與流體作用把能量傳遞給流場(chǎng)。因此,優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌槳葉和分析研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域比較熱門的兩個(gè)方向。按照實(shí)際需要,科研人員研制出許多新式攪拌槳,并且這些槳葉在工業(yè)生產(chǎn)中有著很好的應(yīng)用。在這其中,穿流-柔性組合槳與流體介質(zhì)可發(fā)生固體-柔性-流場(chǎng)的相互耦合作用可改善結(jié)構(gòu)的分布,因此,分析穿流-柔性組合槳的工作機(jī)制和介質(zhì)混合行為具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)以雙層攪拌槳為研究對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,攪拌反應(yīng)槽中某一點(diǎn)的內(nèi)壁壓力數(shù)據(jù)均采用LabVIEW軟件采集而得,然后用Matlab軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,并通過(guò)計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)對(duì)不同槳葉體系中的流體混沌混合特性進(jìn)行分析和比較。在實(shí)驗(yàn)研究中,不同槳葉體系流體的混沌混合特性主要是通過(guò)K熵的大小、最大Lyapunov指數(shù)和宏觀不穩(wěn)定性頻率等特征參數(shù)來(lái)說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)主要探索和研究了穿流-柔性組合槳強(qiáng)化攪拌槽內(nèi)的流體混沌行為,目的在于為流體混合的放大實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)實(shí)驗(yàn)利用采集系統(tǒng)采集內(nèi)壁壓力脈動(dòng)信號(hào),結(jié)合G-P算法以及最小二乘法原理,依次考察了槳葉類型以及柔性部件長(zhǎng)度對(duì)K熵的影響。結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速在180r·min~(-1)以下時(shí),穿流槳沒(méi)有起到增強(qiáng)混沌的作用。而穿流-柔性組合槳體系的K熵值均大于傳統(tǒng)槳體系,穿流-柔性組合槳通過(guò)柔性部件與穿流孔的作用,抑制了槳葉附近流場(chǎng)的擬序結(jié)構(gòu)的單一性和固定性,強(qiáng)化了介質(zhì)混合。轉(zhuǎn)速N≤180 r·min~(-1)時(shí),在1 cm~5 cm的范圍內(nèi),穿流-柔性組合槳體系的K熵值隨著柔性材質(zhì)長(zhǎng)度的增加而增大;(2)實(shí)驗(yàn)使用OpenTSTOOL程序包計(jì)算壓力數(shù)據(jù)的最大Lyapunov指數(shù)�？疾旆治隽藬�(shù)據(jù)采樣點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)速、穿流-柔性組合槳以及上下層槳葉間距對(duì)最大Lyapunov指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)排除了監(jiān)測(cè)位置對(duì)攪拌反應(yīng)槽中流場(chǎng)的最大Lyapunov指數(shù)的影響。流場(chǎng)非線性時(shí)間序列的最大Lyapunov指數(shù)均呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速先增大后減小的變化趨勢(shì),轉(zhuǎn)速為180 r·min~(-1)時(shí),混合程度最好。穿流-柔性組合槳要比傳統(tǒng)槳更容易使流場(chǎng)進(jìn)入混沌狀態(tài),并且隨著柔性部件長(zhǎng)度的增加,最大Lyapunov指數(shù)值稍有增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為180 r·min~(-1)時(shí),上下層槳葉間距為T和1.1T的最大Lyapunov指數(shù)分別為0.0136和0.0138,此時(shí),槳葉間距0.3T的雙層穿流-柔性組合槳體系的最大Lyapunov指數(shù)為0.0143,為三種條件下的最大值,說(shuō)明該條件下的流體混沌混合增強(qiáng)效果最佳;(3)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集提取反應(yīng)器內(nèi)壁面的非線性時(shí)間序列,按照頻譜,依次考察了攪拌轉(zhuǎn)速、穿流-柔性組合槳和上下層槳葉間距對(duì)宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響。隨著攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)的加快,反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的宏觀不穩(wěn)定性頻率線性關(guān)系增長(zhǎng),兩者之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為fMI=0.0018N。在攪拌轉(zhuǎn)速低于180 r·min~(-1)時(shí),穿流-柔性組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率要多出傳統(tǒng)槳體系的許多。在穿流-柔性組合槳體系的攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到180 r·min~(-1)的速度時(shí),槳葉間距為1.2T的流場(chǎng)沒(méi)有出現(xiàn)宏觀不穩(wěn)定性,同時(shí)槳葉間距為1.1T和T流場(chǎng)的宏觀不穩(wěn)定性頻率分別是0.4097 Hz和0.3356 Hz;(4)實(shí)驗(yàn)利用脫色法測(cè)量計(jì)算攪拌反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)混合所需要的時(shí)間。考察了穿流槳、穿流-柔性組合槳和槳葉間距對(duì)混合時(shí)間的影響,并對(duì)槽內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了可視化分析。ln t與N之間線性擬合程度較好,并且隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的加快,介質(zhì)的混合時(shí)間逐漸降低。穿流槳體系介質(zhì)的混合時(shí)間要稍低于傳統(tǒng)槳體系,但并不太明顯,穿流槳并沒(méi)有起到很好的降低混合時(shí)間的作用。而穿流-柔性組合槳體系的混合時(shí)間比傳統(tǒng)槳體系的要低,并且在攪拌轉(zhuǎn)速相對(duì)較低時(shí)兩者的差別更加突出。上下層槳葉間距可影響著雙層穿流-柔性組合槳體系的混合時(shí)間,在槳葉之間加入柔性材質(zhì)就可以很好抑制槳葉之間隔離區(qū)的形成,有利于流體介質(zhì)的混合,從而提高介質(zhì)混合速度。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ027.1

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