基于分形桨的湍流耗散强度特征研究

针对搅拌过程中湍能耗散造成的能量损失问题,提出了一类新型分形几何涡轮桨,并基于计算流体动力学,对系列分形桨进行湍能耗散强度分布数值模拟实验。通过分析分形桨的湍能耗散分布强度规律,探究了分形维数及迭代次数对搅拌设备各部分湍能耗散以及搅拌功率的影响。结果表明:流场湍能耗散强度分布特征为横向呈风轮状,纵向呈扇状;相对于无迭代桨,分形迭代桨湍流耗散强度降低;分形维数增加会降低各处的湍能耗散强度。迭代次数增加会降低流场中湍能耗散,但会增大搅拌桨上的耗散强度;分形迭代桨会降低搅拌功率,并随着分形维数增大而效果加强。研究结果为高速离心搅拌桨设计提供新的设计思路。

分形排布式穿流搅拌桨强化流体混沌混合行为

为减小混合隔离区、增大混沌混合区、强化流体的混沌混合过程,基于分形理论的自相似特性提出一种具有分形排布式穿流孔的搅拌桨强化流体的混沌混合行为。采用计算流体力学(CFD)和实验相结合的方法探究了流体混合过程中的功耗特性、速度分布、剪切应变率分布、隔离区结构以及Poincare截面。研究结果表明,在相同Reynolds数下,与Rushton桨相比,分形排布式穿流搅拌桨(FAPT)能够有效降低搅拌功耗和功率准数,而且随着穿流孔分形迭代次数的增加,搅拌功耗和功率准数进一步降低。其中,FAPT-1体系的功率准数降低6.57%~12.50%,FAPT-2体系的功率准数降低10.95%~19.32%,FAPT-3体系的功率准数降低15.25%~24.66%。在相同功耗下,与Rushton桨相比,FAPT桨能够增强对流体的剪切作用,增大剪切应变率,减小混合隔离区,缩短流体的混合时间,提高流体的混合效率,而且随着穿流孔分形迭代次数的增加这一效果更为明显。