电场强化层流搅拌的荧光可视化试验及模拟分析

在层流搅拌中,搅拌桨的周期性扰动使搅拌槽内出现封闭、孤立的环状隔离流场。隔离流场严重阻碍了搅拌介质之间的有效交换,降低了搅拌效率。本文提出外加电场以强化层流搅拌的方案,利用电流体动力学效应改变流场的对称结构,消除混合死区。试验采用平面激光诱导荧光(planner laser induced fluorescence,PLIF)技术实现了搅拌槽内流场结构的实时可视化,并通过自编程程序识别并计算出非混合区域面积百分比。结果表明,随着电场强度的增大,混合效率逐渐提升,当电场强度为1.5kV/cm时混合效率可达98%。研究建立了基于有限元法及浓度扩散模型的混合搅拌模拟平台,探究搅拌槽内部流场结构时空演变规律。通过模拟分析发现,当外加平行板电场强度达到0.5kV/cm以上时,搅拌槽内部出现明显的二次涡流。二次涡流的出现与径向混合相互作用从而不断削弱隔离流场。在电场强度不变的条件下,外加周期性电场可以进一步提高搅拌效率,电场强度1kV/cm条件下的外加周期性电场可以使搅拌效率提升至98%以上。

行星式搅拌层流混合强化的模拟与试验研究

本文针对行星式层流搅拌流场及其混合性能分别开展了数值计算和可视化试验研究。数值计算结果表明,在行星式搅拌方案中,搅拌桨周期性掠过搅拌槽内大部分区域,打破了常规中心搅拌方案流场的对称性,减少了流场中的环流区,扩大了流动高速区。此外,增加搅拌桨的自转速度可以加大流场中高、低速区之间的速度相对差值。可视化试验结果表明,行星式层流搅拌方案可以促进不同区域流体的物质交换,混合隔离区面积显著减小,搅拌罐内上、下层流体的混合过程存在差异。增加搅拌桨的自转速度,可以进一步改善流体的混合效果,最终,搅拌罐内的流体可以得到充分混合。

变转速耦合偏心结构实现高效层流混合的荧光可视化试验研究

机械搅拌广泛应用于化工、食品、冶金、环保等过程工业领域。层流搅拌工况下,搅拌槽内由于搅拌桨叶的规律性扰动使桨叶的上下方产生环状隔离流场。隔离流场的封闭性使流场内外工质无法交换,成为实现高效层流混合的主要障碍。采用平面激光诱导荧光(Planner laser induced fluorescence,PLIF)技术显示瞬态流场结构。通过编写图像处理程序,识别非混合区域并定量计算出混合效率。试验结果表明,传统中心搅拌的混合效率停留在63%左右,经过多个周期的变转速搅拌后混合效率可提升至约78%。搅拌轴的偏心布置破坏了流场的周期对称性,促使隔离区域减小。当偏心率E=0.1、0.3、0.4、0.5、0.6时,在200 s内混合效率分别为79%、85%、89%、90%、86%。研究发现偏心率与混合效率并非单调线性关联,偏心率存在最优值范围(E=0.4~0.5)。然而流动隔离区仅通过搅拌轴的偏心布置仍然无法完全消除。提出变转速耦合搅拌轴偏心布置的策略,通过施加非定常非对称扰动实现层流搅拌工况下的高效混合。荧光可视化结果表明,与中心变转速搅拌相比,偏心变转速搅拌对流场的改变更为明显。当偏心率E=0.3、0.4、0.5时,经过三个周期的变转速层流混合,隔离区域大幅缩减,混合效率最高可达97%以上。将为高效层流搅拌混合器的设计提供技术与理论指导。