刚柔组合桨强化流体混沌混合的机制研究20131018

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合的机制研究刘作华1,2*，孙瑞祥1，王运东2，陶长元1，刘仁龙1（1重庆大学化学化工学院，重庆400044；2清华大学化学工程系，北京100084）摘要：合理设计搅拌反应器的桨叶，强化流体流动与混合行为，是实现流体高效、节能混合的重要手段。传统搅拌桨叶以全刚性材质为主，其作用机制为刚性桨叶对流体的剪切作用实现能量和质量的传递，导致流体混合效率低、能耗高。柔性体与刚性体组合，可设计出具有多体运动行为的刚-柔组合搅拌桨。结合PIV流场观测和CFD模拟，对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨两种桨叶下的流场结构及流体混沌混合行为。结果表明，刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递，流体流速衰减速率降低25%，实现搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。流体流线结构在空间的吸引子反映了流场的混沌混合行为。搅拌槽内流体具有混沌混合行为。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子，其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合桨可强化流体混沌混合行为，调控流场结构分形维数。柔性六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质，其流场分形维数为1.9337，而柔性六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质，其流场分形维数为1.9545。柔性桨可通过改变流体流线的吸引子面来调控流场的多尺度结构，从而强化流体混沌混合，实现高效节能操作。关键词：混合；混沌；搅拌槽；刚-柔组合搅拌桨；分形维数；CFD模拟；吸引子中图分类号：TQ027.2文献标志码：A文章编号：0438-1157(2013)00-0000-00MechanismoffluidchaoticmixingIntensifiedbyrigid-flexiblecouplingimpellerLIUZuohua1,2*,SUNRuixiang1,WANGYundong2,TAOChangyuan1,LIURenlong1(1SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Rationaldesignofimpellersinstirredvessel,aimingatstrengtheningthefluidflowandmixingcharacteristics,isanimportantwaytoachieveefficientandenergy-savingmixingperformance.Traditionalfull-rigidimpellerstransferredenergyandmassthroughshearingaction,leadingtolowfluidmixingefficiencyandhighenergyconsumption.Thecombinationofflexiblebodyandrigidbodycandesigntherigid-flexiblecouplingimpellerwhichwithmultiple-bodymotionbehavior.CFDsimulationandPIVflowvisualizationwereemployedtocomparativelyanalyzethedifferenceoffluidflowandmixingcharacteristicsbetweenrigidimpellerandrigid-flexiblecouplingimpeller.Resultsshowedthatvelocitydecayingratewasreducedby25%inrigid-flexiblecouplingimpellerbecauseithadtheabilitytointensifytheinputenergytransportationbyflexiblepartanddistributetheinputenergyinflowfieldeffectively.Theperiodicattractoroffluidstreamlinestructurereflectedthechaoticmixingbehaviorandthefluidinthestirredvesselhadthecharacteristicsofchaoticmixingbehaviorandthefluidstreamlinehadobviouslyperiodicattractor.ItfoundthatstreamlineofthefluidstirredbyrigidPBT-6impellerandrigidRDT-6impellerhadobviouslyperiodicattractorwithfractaldimension1.9046and1.9138respectively.Rigid-flexiblecouplingimpellerscouldintensifychaoticmixingbehavioroffluidand*2013-00-00收到初稿，2013-00-00收到修改稿联系人：刘作华(1973-),男,博士,副教授基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CBA01203）,清华大学化学工程联合国家重点实验室开放课题（SKL-ChE-12A02）,重庆市自然科学基金重点项目（CSTC2012JJB0006）。Receiveddate:2013-00-00Correspondingauthor:Dr.LIUZuohua,[e-mail]:supportedbyNationalKeyBasicResearchProgram(2012CBA01203),supportedbyStateKeyLaboratoryofChemicalEngineering(SKL-ChE-12A02),supportedbyKeyNaturalScienceFundofChongqing(CSTC2012JJB0006).研究论文regulatethefractaldimensionofflowfieldstructure.ThestreamlineoffluidstirredbyflexibleRDT-6impellerhadquasi-periodicattractorswithfractaldimensionwas1.9337,whilethefractaldimensionofchaoticattractorwas1.9545inflexiblePBT-6impeller.Itsuggestedthattheflexibleimpellercouldregulatemulti-scalestructureoftheflowfieldbychangingstreamlineattractortointensifythechaoticmixingandtoachieveenergyefficientoperationKeywords:mixing;chaos;stirredvessel;flexibleimpeller;fractaldimension;CFDsimulation;attractor引言搅拌与混合操作大量应用于化工、石化、轻工、医药、冶金、水处理等行业中，它是通过搅拌器的旋转向釜内流体输入机械能，使流体形成适宜的流场，实现传热和传质[1-4]。混合过程的强化是搅拌反应器实现高效、节能的关键，而重点在于搅拌桨的设计和流场结构调控。混合过程具有内在的多尺度行为，它包含宏观尺度的混合和Kolmogrov尺度下的混合[5]。混合机制的复杂性导致了搅拌槽内流场具有丰富的多尺度特征、时空混沌特性。因而，增大流场的混沌混合区，减小隔离区，可强化流体混合。高殿荣等[6]采用CFD模拟计算了偏心搅拌的流场变化行为，发现偏心结构的搅拌槽能构破坏系统的周期性和对称性，从而诱发混沌，强化流体混合。刘作华等[7,8]研究了偏心射流搅拌反应器内流场的分形维数和Kolmogorov熵的变化规律，发现流场的耦合有助于调控流场多尺度结构，从而强化流体的混沌混合行为。研究表明，刚-柔耦合的搅拌桨可通过其柔性端与周围流体相互作用，从涡街中汲取能量，强化流体混合，实现节能操作[9,10]。刘作华等[11,12]研发了组合式柔性搅拌桨，可提高锰矿浸取率，缩短浸矿时间，同时还发现柔性桨可以减小隔离区，缩短混合时间，提高混合效率。CampbellR.L.等[13]研究了柔性涡轮机内流-固耦合运动行为，发现柔性桨变形可诱发桨叶与流体耦合运动。与传统的混沌混合强化方法相比，柔性桨的设计可以有效的解决传统刚性桨能量传输效率低的问题，同时不会增加额外的操作和设计成本。然而，在搅拌槽中流体的混合效率与流场结构变化密切相关。由于对于柔性桨流场结构的相关数值模拟比较少，从而限制了人们对柔性桨强化搅拌槽流体流动行为和混沌混合作用机制的探索研究。已有研究表明，流场的多尺度结构可有效调控流体间的能量传递，进而影响流体流线结构。由于流体混合类型的差异主要来源于流体的运动轨迹[14-18]，因此，深入研究柔性桨对流场多尺度特征的影响规律，探索其强化流体混沌混合的作用机制对于实现高效节能搅拌反应器的放大实验和工业化应用具有重要意义。本文利用PIV和CFD模拟技术，对传统刚性桨以及柔性桨产生的流体流动行为、能量分布以及流体的运动轨迹进行系统的分析。同时，利用图像处理技术，计算流场二维分形维数，可以有效的表征流场的多尺度特征，从而可为柔性桨强化流体混沌混合的作用机制探索提供重要的理论指导。1数值分析原理1.1物理模型简化原理图1柔性桨作用机理示意图Fig.1Schematicdiagramoftheflexibleimpelleraction流体混合主要是通过搅拌桨叶的旋转带动周围流体循环来实现传质和传热。目前，已有研究表明，涡旋波可诱发混沌混合，强化流体混合行为[19-22]。柔性桨的柔性端因受外力发生非规律性的变形（形变量与柔性材质、搅拌速度、搅拌方式和桨叶形式相关）。当搅拌稳定后，柔性端保持一定的形状并在微小范围内产生波动或摆动，使流体形成涡街（如图1所示）。另外，柔性端的摆动也能够影响和调节桨叶区域中混合隔离区的大小和位置[23]。搅拌过程中由静止到搅拌稳定经历的时间很短，同时稳定后柔性端的波动范围很小对流体的影响不大，模拟计算时柔性桨简化为稳定时柔性端变形后的桨叶形状。1.2基本控制方程搅拌槽内流体流动的基本守恒定律包括质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律，这些守恒方程的数学描述便是控制方程[24]。在进行数值计算分析时，流体控制方程必须满足：0t（1）FIpt（2）其中，为速度矢量，单位是m·s-1；P为压力，单位是Pa；为液体密度，单位是kg·m-3；为粘性力张量,单位是Pa；I为单位张量；F为外力，单位是N。1.3湍流模型Ranade等[25]考察了RNGk-ε和标准k-εmixture两种湍流模型,认为标准k-εmixture模型更能较好地预测搅拌槽内流体的基本运动规律。该模型的基本方程为：tk+uk=k+-tkG(3)+u=+-CtkCG(4)式中G表示湍流动能产生项，μ表示湍流粘度，κ表示湍流动能，ε表示湍流耗散率。1.4分形维数与流场结构Navier-Stokes方程(简称N-S方程)可用来描述流场流动的情况。通过局部的