刚柔组合搅拌桨增强混合澄清槽内流体宏观不稳定性

流体宏观不稳定性可以反映流体轴向能量和质量的传递行为。为揭示刚柔组合搅拌桨(简称柔性桨)作用下混合澄清槽中油水液-液两相非稳态流动规律,采用频谱分析和小波分析组合法研究混合澄清槽内宏观不稳定性,并进行模拟验证。研究表明,柔性桨在转速低于250 r·min-1时,流体宏观不稳定频率与转速呈线性关系,而转速超过250 r·min-1,流体因界面卷吸行为吸入空气,宏观不稳定频率谱图呈现功率谱带,流场结构呈多尺度结构特征,流体宏观不稳定频率消失,液-液混合体系出现明显的乳化现象。与刚性桨相比柔性桨能增强宏观不稳定性,提高流体混合效率,强化能量传递行为。计算模拟发现,柔性桨能明显提高桨叶的抽吸能力,增强流体轴向运动的行为,避免流体过度搅拌,有利于流体澄清。

刚柔组合搅拌桨强化流体混合的流固耦合行为

传统刚性搅拌桨通过对流体的剪切作用实现能量的传递,而刚柔组合搅拌桨可通过其多体运动行为强化能量传递。基于搅拌桨桨叶与流体之间的耦合运动作用,结合ANSYS Workbench仿真平台,采用双向流固耦合方法,模拟计算了刚性搅拌桨与刚柔组合搅拌桨桨叶的等效应力和总变形量,研究了流场的宏观结构;并通过测定混合时间和计算搅拌桨功耗对比分析了两种不同搅拌体系的混合行为。结果表明:刚柔组合搅拌桨使体系的混合时间缩短了近32%,搅拌桨功耗下降了7%,其桨叶尖端的变形量是刚性搅拌桨的105倍,其应力比刚性搅拌桨增加了83%;与刚性搅拌桨相比,刚柔组合搅拌桨在流固耦合作用下对流体的作用力更大,能够更好地传递能量,增强流体运动,强化流体混合。

刚柔组合搅拌反应器强化流体混合数值模拟

为了确定搅拌反应器内的流场结构特征以助于混合过程的定向调控,采用数值模拟的方法对比研究了刚性搅拌桨反应器和刚柔组合搅拌桨反应器内的流场结构。分别从搅拌槽内轴向速度分布、速度场、尾涡结构和湍动能分布等方面阐述刚柔组合搅拌桨对流体混合的强化作用,同时考察了桨型、转速、桨叶直径及搅拌桨安装离底高度对流场的影响。结果表明:与刚性搅拌桨体系相比,刚柔组合搅拌桨体系中流体轴向速度、高速流动区域体积、湍动能和尾涡结构都更大。更高的转速及更大的搅拌桨直径均有利于流体混合,过高或过低的安装离底高度均不利于搅拌槽内流体混合。总体而言,与刚性桨相比,刚柔组合桨对流体混合有明显的强化作用。