柔性Rushton搅拌桨的功耗与流场特性研究

基于传统的Rushton桨,开发了一种柔性叶片Rushton搅拌桨。采用数值模拟方法研究了柔性桨的功耗及层流和湍流流场特性,并分别采用扭矩测量法和粒子图像测速法进行了实验验证。结果表明,对于实验规模的搅拌容器,当介质黏度与甘油接近时,可用橡胶作为柔性桨叶制作材料。Reynolds数≤100时,柔性桨的功耗大于刚性桨;Reynolds数大于该值后,柔性桨的功耗小于刚性桨。柔性桨叶对被搅拌流体具有自适应特性,流固耦合作用下产生的变形增加了流体的径向流动能力。搅拌低黏度流体时,柔性桨能提升近桨区流体的速度,增加桨叶远端流体的循环流动能力;搅拌高黏度流体时,近桨区和桨叶远端流体的速度均大于刚性桨。就尾涡而言,柔性桨产生的涡量较小,耗能少。

柔性Rushton搅拌桨混合性能的实验研究

提高混合效率是流体搅拌混合领域的重点研究内容之一。几十年来,人们在开发新型搅拌桨及研发流体混合新技术方面做了大量工作。基于刚性Rushton桨,开发了一种柔性叶片Rushton搅拌桨,并以罗丹明6G为荧光剂,采用平面激光诱导荧光法对介质为水时该桨在湍流状态下的混合性能进行了实验测试研究。结果发现,标定实验结果表明,荧光剂强度与浓度呈线性关系,可以此为基准衡量同等实验条件下的宏观混合时间。荧光剂的扩散情况表明,与刚性桨相比,柔性桨具有更好的混合性能,尤其在混合的初始阶段,混合均匀程度及混合速度均有一定的优势。与刚性桨混合时间的对比表明,柔性桨的宏观混合时间较短,有助于提高流体混合效率。研究结果为该桨的工业应用奠定了基础。

柔性Rushton搅拌桨的振动特性

采用数值模拟的方法分析了课题组前期开发的实验室规模的柔性叶片Rushton搅拌桨的振动特性,并采用丹麦的Brüel&Kj?r及中国的东华振动测试仪进行了实验研究。结果表明,桨轴系统的第1~6阶振型为弯曲型,第7~12阶振型为扭转型。模拟得到的固有频率与实验结果吻合较好,均表明存在集聚现象;与干模态固有频率相比,湿模态固有频率有所降低。承受高频交变激励载荷时,桨轴系统存在明显的应力和应变谐响应。桨轴系统的固有频率随转速的增大而减小,随介质黏度的增大而增大。研究结果为柔性叶片Rushton搅拌桨的放大设计及工业应用奠定了基础。

柔性桨与自浮颗粒协同强化高黏度流体混沌混合

高黏度流体混合处于层流状态,存在混沌混合区和隔离区,混沌混合是提高其混合效率的有效方法。为增强高黏度流体的混沌混合,在甘油体系中采用柔性搅拌桨并加入自浮颗粒,实验研究了最大Lyapunov指数(LEmax)随单位体积功耗(Pv)的变化规律。结果表明,只加入固体颗粒对原体系LEmax的影响不大,当Pv=2000W.m-3时,使用柔性桨后体系LEmax增加10.29%;柔性桨与固体颗粒协同作用时,可使体系LEmax增加30.86%。在Pv≤2000W.m-3时,柔性桨和自浮颗粒协同强化高黏度流体混沌混合的效果最好。