旋流靜態(tài)
混合器作為一種新型化工過程強化設(shè)備,廣泛適用于石油化工、食品加工、化學(xué)工業(yè)等精細化工中間體和大宗有機化工原料的單元混合操作。與傳統(tǒng)的攪拌槽反應(yīng)器相比,靜態(tài)混合器大幅度提高設(shè)備的生產(chǎn)能力,降低工業(yè)生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量,減少廢棄物排放,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。但到目前為止,對其瞬態(tài)流動特性的理論探討以及對工業(yè)生產(chǎn)過程的指導(dǎo)遠沒有達到預(yù)期的水平。本文分析了SK型混合器內(nèi)高粘度流體的運動特性;通過對SK型靜態(tài)混合器的瞬態(tài)流場實驗測量,重點研究了混合器內(nèi)瞬態(tài)流場的混沌和分形特性;利用計算流體力學(xué)軟件考察含有不同混合組件的靜態(tài)混合器的流動阻力和宏觀混合傳質(zhì)特性,用以指導(dǎo)這種混合器的優(yōu)化和放大?；诹黧w動力學(xué)、非線性動力學(xué)及Ottino理論,建立了高粘度流體在SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的流體流動模型。分析雙極坐標系下二維Navier-Stokes方程流函數(shù)的邊值問題,并建立了相應(yīng)的流體微分運動方程。用Poincare映射方法對靜態(tài)混合器內(nèi)蠕動流的動力學(xué)行為進行了數(shù)值仿真研究。給出了系統(tǒng)響應(yīng)隨管壁轉(zhuǎn)動頻率變化的zui大Lyapunov指數(shù)曲線圖、典型的Poincare截面圖和相圖。初步判定:高粘度流體在SK型靜態(tài)混合器內(nèi)軸截面的徑向二次流動存在混沌特性。
為揭示高雷諾數(shù)下SK型靜態(tài)混合器非穩(wěn)態(tài)流動特性,利用激光多普勒測速儀對SK型靜態(tài)混合器的瞬時速度場進行測量。采用功率譜、zui大李雅譜指數(shù)、相平面識別混合器內(nèi)瞬時速度時間序列的混沌特性?；诟盗⑷~變換對SK型靜態(tài)混合器速度波動信號進行時域分解,利用自相關(guān)函數(shù)和互信息函數(shù)研究了各個頻率段信號的線性相關(guān)和非線性相關(guān)性。實驗研究表明:SK型靜態(tài)混合器內(nèi)速度波動時間序列具有混沌特性;功率譜函數(shù)隨頻率的增加呈冪函數(shù)衰減;瞬時速度脈動主要能量集中在3.9Hz以下,62.5Hz以上的信號線性無關(guān),75Hz以上的信號不存在非線性和線性相關(guān)性。利用湍流高階矩參數(shù)平坦因子和偏斜因子分析了靜態(tài)混合器內(nèi)脈動速度的概率密度函數(shù)分布以及與正態(tài)分布的定量差別。實驗結(jié)果表明:SK型靜態(tài)混合器湍流主體區(qū)的的傾斜因子S在-2.79和3.12之間波動,平坦因子數(shù)值主要分布在3~9.5之間并且F>3和F<3的區(qū)域呈片狀間歇性分布,證明了SK型靜態(tài)混合器速度分布偏離高斯分布程度大并且存在擬序結(jié)構(gòu)。為了探討靜態(tài)混合內(nèi)非線性、非均勻性和混沌特性機理,利用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對SK型靜態(tài)混合器管壁處脈動壓力進行測量。結(jié)合小波變換模極大值理論對采集的不同進口流量下壁壓波動時間序列用Daubechies二階小波提取1~7尺度下的特征信號,并分別對提取的信號進行R/S分析。通過對壓力波動信號不同尺度下的細節(jié)信號與概貌信號研究發(fā)現(xiàn),在不同的尺度下表現(xiàn)出不同的分形結(jié)構(gòu),且隨著進口流量的增大,分形結(jié)構(gòu)的變化趨勢基本一致。此外,該系統(tǒng)不僅存在確定性非周期成分,而且不同尺度的旋渦之間的能量交換,導(dǎo)致混沌的產(chǎn)生。各尺度信號的能量分布表明,壓力波動信號主要體現(xiàn)了宏觀尺度的漩渦級串的相互作用。
為了預(yù)測旋流靜態(tài)混合器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)宏觀混合特性,利用脈沖示蹤法和計算流體力學(xué)相結(jié)合,基于正交實驗原理研究示蹤劑在不同雷諾數(shù)下、混合元件長徑比及監(jiān)測位置處的停留時間分布特性。分析操作條件對平均停留時間和徑向強化系數(shù)的影響順序,比較了MSM、KSM、SSM、RSM四種旋流靜態(tài)混合器的強化混合效果。結(jié)果表明:SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的液體單相流動的軸向返混系數(shù)較小且數(shù)量級為10-2,流動狀態(tài)接近活塞流;極差計算結(jié)果表明對停留時間分布影響順序為:進口流速>混合元件的長徑比>監(jiān)測位置;而監(jiān)測位置對混合元件的徑向強化能力影響zui大,KSM的強化能力zui大,SSM的強化能力zui小。提出強化因子優(yōu)化混合器的級數(shù),徑向強化系數(shù)與螺旋葉片級數(shù)的負0.638次冪呈線性關(guān)系。利用量綱分析和π定理簡化了新型靜態(tài)混合器流動阻力的影響因素之間的關(guān)系式,通過數(shù)據(jù)整理和回歸得到了普遍適用的流動阻力摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式,為其工業(yè)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
靜態(tài)混合器的工作原理，就是讓流體在管線中流動沖擊各種類型板元件,增加流體層流運動的速度梯度或形成湍流,層流時是“分割-位置移動-重新匯合”，湍流時，流體除上述三種情況外，還會在斷面方向產(chǎn)生劇烈的渦流，有很強的剪切力作用于流體，使流體進一步分割混合，zui終混合形成所需要的乳狀液。之所以稱之為“靜態(tài)”混合器，是指管道內(nèi)沒有運動部件，只有靜止元件。
