剛柔組合攪拌槳強化流體混沌混合及放大規律研究

《剛柔組合攪拌槳強化流體混沌混合及放大規律研究》是依託重慶大學，由劉作華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：剛柔組合攪拌槳強化流體混沌混合及放大規律研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉作華
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

高效節能攪拌反應器的研發與套用有助於實現化工過程強化和節能減排，其突破點在於合理設計攪拌槳，發展混沌混合強化理論，掌握反應器的放大規律。傳統剛性攪拌槳主要靠剪下作用向流體傳遞能量，在槳葉尖端附近區域形成隔離區，不利於高效節能混合。項目擬設計和最佳化剛柔組合槳，研究流固耦合運動強化流體混沌混合行為及放大規律；對比研究剛柔組合槳與剛性槳在能效、噪音、攪拌軸振動及槳葉磨蝕等方面的差異；研究剛柔組合槳攪拌反應器結構和操作參數與流體混沌特性（最大Lyapunov指數、混沌吸引子等）的相關性，重點研究剛柔組合槳強化流體節能混合機制及調控方法；採用ANSYS研究剛-柔-流耦合運動對跨尺度流場結構間能量傳遞的影響；結合信號處理、圖像採集及計算模擬，研究節能、降噪、抗振、耐磨的原理及與攪拌反應器放大的關係；建立剛柔組合攪拌槳強化流體混沌混合的數理模型和操作方法。研究成果將為攪拌反應器的設計和放大提供理論支持。

結題摘要

高效節能攪拌反應器的研發與套用有助於實現化工過程強化和節能減排，其突破點在於合理設計攪拌槳，發展混沌混合強化理論，掌握反應器的放大規律。傳統剛性攪拌槳主要靠剪下作用向流體傳遞能量，在槳葉尖端附近區域形成隔離區，不利於高效節能混合。項目首先是對攪拌槳結構進行設計，研發出剛柔組合攪拌槳和穿流剛柔組合攪拌槳，並搭建單相體系、固液體系、液液體系和氣液體系的實驗裝置。採集單相體系、固液體系、液液體系和氣液體系內的扭矩時變信號和壓力脈動信號，通過MATLAB獲得最大Lyapunov指數和混沌吸引子等混沌特性參數表征各體系混沌狀態。並且以混合效率數來表征單相流體混合效果，以懸浮度表征固液體系顆粒懸浮效果，以局部氣含率和局部氣泡尺寸表征氣液體系氣體分散效果。研究結果表明，剛柔組合槳體系的混合效率數最小，相比剛性槳降低了87.4%；穿流剛柔組合槳體系的固體顆粒懸浮度最大；剛柔組合槳體系的氣體分散效果最佳，局部氣含率最高，最大局部氣含率能達到10%。另外，通過實驗研究了攪拌體系的巨觀不穩定性行為及裝置的振動特性，相同轉速下柔性槳的巨觀不穩定性頻率（fMI）都較剛性槳大，其值隨轉速的增加而增大，其增長率也隨著轉速的增大而增大。根據擬合直線公式可得，轉速為 210 r·min-1時增長率為 15.62%。通過PIV技術研究了體系流場結構及其演變規律，結果表明剛柔組合槳體系，槳葉附近的循環流動範圍較大。通過CFD模擬方法研究了剛柔組合槳的流固耦合行為及其降噪特性，結果表明，與剛性槳相比，剛柔組合槳的槳葉應力集中區域最大應力降低了1.94%。最後，對剛柔組合槳攪拌反應器進行了中試試驗及工程放大套用。通過該項目的研究，加深了對流體混沌強化的認識，並獲取混沌特性參數及相應的軟體著作權；發現剛柔槳，柔性軸，混沌電機，都能實現耦合強化，並建立混合效率數表征混合效果；將剛柔組合槳套用於粉煤灰提鋁，濕法磷酸浸出，錳礦浸出等在工業過程，通過流體混沌強化與反應過程動力學調控相結合，實現反應過程強化。