偏心圆环中周期性和非周期性混沌混合

Most previous studies about chaotic mixing focused on time-periodic or spatialy-periodic flows.In contrary,fewer studies have been done in aperiodic flows.In this paper,the chaotic mixing generated by periodic and aperiodic flows is investigated through visible experiments and numerical simulations.The distribution of stretching is found to be much more uniform for apeiodic flows and mixing efficiency of aperiodic flows is higher than periodic flows.Among the several aperiodic sequences,the SB sequence is the best one.

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。

变速搅拌混沌混合的PIV试验研究

针对搅拌槽内部的流体混合在湍流状态不成问题,但当流体处于层流状态下如何提高混合效率的实际问题,为提高层流状态下搅拌槽内流体的混合效率,采用混沌混合使叶轮以变转速做周期性运动。利用粒子图像测速技术对层流搅拌槽变速混沌混合流场进行试验研究,对所测得的粒子图像采用相应图像处理软件处理。得到了六个不同角度处流体径向速度分布云图,并对比分析变速搅拌与常速搅拌混合流场速度分布曲线的不同。试验结果表明,叶轮变转速运动时,搅拌槽内径向速度范围宽,扰动区域大,说明变转速运动比常转速运动的搅拌混合效果好、搅拌效率高。所做研究对充分认识变速层流搅拌诱发混沌混合的机理,为大型层流混沌混合搅拌槽的设计提供指导性建议,具有重要理论意义及实际应用价值。

带有扰动副螺棱的单螺杆挤出机内混沌混合

提出一种采用副螺棱轴向往复运动来提高单螺杆挤出机混合的结构,探讨不同扰动幅度对螺槽内混合的影响。建立扰动副螺棱作用下三维周期性物理模型和相应的数学模型,对挤出机内牛顿流体三维周期性流动和混合过程进行计算。采用有限体积方法,变量分布采用交错网格,副螺棱的周期性运动边界通过叠加网格方式实现。采用4阶Runge-Kutta方法实现流体运动前锋追踪计算,对比Poincaré截面,得到示踪剂空间构型演变及界面增长。结果表明,副螺棱往复运动将导致螺槽内部的混沌混合区域围绕内部KAM管,并被外部准周期运动区域包围。处于混沌区域的流体界面呈现指数增长规律,而处于准周期运动的区域界面随时间仍然保持线性增长。副螺棱扰动幅度越大,内部准周期混合区域越小,混沌场覆盖的尺度越大。

Roller转子密炼机聚合物流体的混沌混合特性

建立了Roller转子密炼机二维有限元模型,利用网格重叠技术,对密炼机流体的流动过程进行了数值模拟。利用粒子示踪技术,采用4阶Runge-Kutta法计算了不同转数和不同流体粒子释放位置的密炼机Poincaré截面、平均对数线拉伸及Lyapunov指数等混沌混合参数。从非线性混沌理论的视角研究了Roller转子密炼机的混沌混合机理。结果表明,在双转子周期性扰动的作用下,聚合物流体在密炼机内被反复地拉伸、折叠,且啮合区的Poincaré截面出现了典型的"马蹄形"混沌结构。随着混合周期的增加,平均线拉伸以指数形式增长,且Lyapunov指数大于零。Roller转子密炼机流体具有混沌对流的特征。

刚柔组合桨强化粉煤灰酸浸搅拌槽内固液混沌混合

传统粉煤灰提铝工艺中酸浸搅拌槽均采用刚性搅拌桨。因刚性桨卷吸能力有限,导致固体颗粒易沉槽、流体混沌混合效率低。提出刚柔组合桨强化酸浸搅拌槽中固液混沌混合行为。实验基于固含率为30%的粉煤灰-自来水体系,研究了刚柔组合酸浸搅拌槽内混沌混合特性及能量耗散规律。采用扭矩传感器采集扭矩时间序列信号,借助Matlab软件编译计算混合过程中最大Lyapunov指数和多尺度熵等混沌特性参数,以单位体积功耗表征搅拌反应器的功率特性。实验考察了搅拌桨安装离底高度、柔性片长度、柔性片宽度等因素对酸浸槽内粉煤灰混沌混合的影响,对比了刚性桨与刚柔组合桨体系的能耗差异。研究结果表明:刚柔组合桨通过柔性片的作用,能增大搅拌桨的卷吸力,进而减少固体颗粒沉槽现象,促进全槽混沌混合;在最优化条件(120 r/min,搅拌桨安装离底高度为T/4,柔性片长度为1.2H1、柔性片宽度为D/8)下,体系最大Lyapunov指数达到最大值0.0645,各尺度下的MSE均比其他条件更大,表明刚柔组合桨能够通过柔性片的多体运动,强化体系混沌混合,均化体系能量分布;刚性桨与刚柔组合桨的单位体积功耗随着转速的增加呈现指数规律增长。

一种新型Skew Tent映射的混沌混合优化算法

针对已有的混沌优化算法几乎都是利用Logistic映射作为混沌序列发生器,而该混沌序列的概率密度函数呈两头多、中间少的切比雪夫型的分布性质,不利于搜索的效率和能力,为此,首先构造一种新型混沌映射序列发生器—Skew Tent映射并结合迭代优化特点加以改进,然后分析了它的混沌特性．其次,将改进的混沌映射与Alopex启发算法相结合,充分发挥Alopex算法的快速搜索能力和混沌优化全局寻优的特性,提出一种混沌混合优化算法,提高了算法的收敛速度和有效搜索全局最优解．最后,仿真算例验证了该算法的有效性和Skew Tent混沌映射的应用前景．

单螺杆挤出机内混沌混合数值模拟

提出了在单螺杆挤出机内插入与螺槽等高的间断副螺棱来强化混合的结构。建立了不同副螺棱周期长度及扰动强度的物理模型数学模型,借助Fluent软件求解得到速度场。基于具有4阶精度的Runge-Kutta数值积分方法开发了流体前锋追踪代码,并对混合过程动力学进行了数值模拟表征。采用Poincaré截面分析、界面演化及停留时间分布等探讨了混合过程动力学细节,揭示混沌混合作用的尺度。结果表明:螺槽中上部存在左右2个KAM岛,其余区域为混沌混合区域。副螺棱周期长度越小,扰动强化越大,混合的效果越好。

4WS转子密炼机聚合物混沌混合的拉格朗日拟序结构分析

采用拉格朗日拟序结构的分析方法,对标准四棱4WS转子密炼机聚合物混沌混合进行研究。利用网格叠加技术(MST),计算了密炼机二维流场的速度场分布。在此基础上,利用基于拉格朗日体系的有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS),结合Poincaré映射和粒子可视化技术,分析了4WS转子密炼机二维流场的混沌混合特性;讨论了转子几何结构对FTLE和LCS分布的影响以及密炼机二维流场潜在的动力学和几何特性。结果表明,由于物质线的封闭状态,导致了密炼机近转子区流体输运受到了阻碍,因此,增强近转子区与远转子区的物质交换是进行转子优化的重要环节。由于4WS转子棱边独特的凹槽结构,在近转子区易产生马蹄形结构,在流域中形成同宿穿插结构,增强了近转子区和远转子区之间的物质交换,强化了密炼机流场的混沌混合。

斜拉桥结构可靠度分析的混沌混合算法

根据可靠度指标的几何意义,联合应用混沌算法和BFGS算法,提出了基于混沌混合算法的可靠度分析方法。该方法将可靠度求解问题转化为最优化问题,利用混沌混合算法的全局收敛性实现可靠度问题的求解。利用数值算例和实际斜拉桥结构的可靠度分析对该方法的有效性进行了验证。在此基础上,对苏通长江大桥钢箱梁的可靠度进行了研究,探讨了随机变量的不定性和钢箱梁的不同组成部分对可靠度的影响。结果表明:所提出的方法为结构可靠度分析和钢箱梁的优化设计提供了新的思路和方法,能够有效弥补传统可靠度分析方法的不足,具有更高的精度。

二次流实现流体混沌混合的数值研究

在加权残余法与谱方法相结合的基础上,分析了扭转弯管中的二次层流,并说明了在某些情况下将诱发混沌现象.根据二次流的动力学特性,建立了扭管不同截面之间的非线性映射关系,用数值方法研究了流体微团在该映射下的混合特性,并进行了实验研究.结果表明,利用不同的单元弯管的组合与连续扭转,可以实现流体在层流状态下的高效无切割混合.

单层钢丝柔性桨强化搅拌槽中流体混沌混合行为

实验运用扭矩传感器测量搅拌功率特性,Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LE_(max)),流场可视化技术观测流体混合状态。研究了桨叶类型、桨叶离底距离、柔性钢丝长度、柔性钢丝直径对混合效率数(Ce)、LE_(max)的影响。结果表明:单层钢丝柔性桨通过刚-柔-流耦合作用,改变流场结构和能量耗散方式,提高了流体混沌混合程度,实现了流体的高效节能混合;当转速为120 r·min-1时,与传统刚性桨相比,单层钢丝柔性桨使流体Ce减小了87.4%,LE_(max)增大了53.2%,与单层钢丝刚性桨相比,单层钢丝柔性桨使流体Ce减小了43.8%,LE_(max)增大了10.8%。另外,当搅拌转速相同时,柔性钢丝越长,越有利于流体混沌混合,但其功耗也会随之明显增加;当柔性钢丝直径为0.8 mm,桨叶离底距离为0.25T(T为搅拌槽内径)时,各个转速对应的Ce小于其他情况、LE_(max)大于其他情况,流体达到相对最佳混沌混合状态。

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用Lab VIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE),分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m3?h-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。

搅拌槽混沌混合研究进展

介绍了层流状态下搅拌槽内普遍存在的混合隔离区,它的存在成为混合的一大障碍,而混沌混合的提出和应用极大地提高了混合效率。阐述了混沌混合的基本原理是通过动力学扰动的方式破坏流体颗粒运动轨迹的周期性。同时介绍了截止到目前关于搅拌槽内混沌混合的方法,主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌等,对这些方法的数值模拟和实验研究结果都证明,混沌混合能很好地改善搅拌槽的混合效果,与传统的稳态搅拌方式相比,混沌混合具有很大的优越性。

偏心空气射流搅拌器中流体混沌混合的Kolmogorov熵分析

运用LabVIEW和MATLAB软件,实验研究了偏心空气射流双层桨搅拌反应器内壁的压力脉动信号的Kolmogorov熵值的变化规律。结果表明,Kolmogorov熵受到搅拌转速和空气速率的共同作用：在低转速段（32.5-130.00 r/min）时,Kolmogorov熵值基本不随搅拌转速和空气速率变化;在转速为130.00-260.00 r/min时,随搅拌转速和空气速率的增加,Kolmogorov熵值呈对数函数型增大;在高转速段（260.00-325.00 r/min）时,随搅拌转速和空气速率的增加,Kolmogorov熵值呈指数函数型减小。

三螺杆挤出机端面二维流场混沌混合拉格朗日拟序结构分析

三螺杆挤出机是一种新型的聚合物流体加工设备,其独有的中心区呈现出几何结构和受力状态的周期性变化,混合机理非常复杂。区别于传统的线性混合分析,从拉格朗日体系的新视角对三螺杆挤出机混沌混合进行拉格朗日拟序结构分析,利用有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS),结合Poincaré截面和粒子可视化技术研究三螺杆挤出机二维流场的流体输运和混沌混合机理,讨论了中心区动态结构特性对FTLE和LCS分布的影响,并与单螺杆挤出机和双螺杆挤出机进行了对比分析。结果表明,LCS将三螺杆挤出机流域划分为近螺杆区、远螺杆区和中心区3个具有不同运动特性的区域,扭结是连接近螺杆区、远螺杆区和中心区物质交换的桥梁。随着混合时间的增加,扭结的弯曲和折叠程度逐渐增大,增强了3个区域的物质交换,强化了三螺杆流场的混沌混合。三螺杆挤出机啮合区附近存在3个双曲固定点,混合能力较好。Poincaré截面中椭圆周期点的出现说明在流域中心有非混沌区存在,因此三螺杆挤出机的中心区混合能力相对较弱。

新型非对称同向双螺杆挤出机内混沌混合表征

提出了全新的同向自洁双螺杆非对称造型新概念。给出了转速比为2∶1的2根螺杆的端面造型和运动关系并建立了数学模型。以符合Carreav定律的流体为加工对象,采用Polyflow软件的叠加网格技术,分别对新型非对称双螺杆和传统双螺杆端面内的周期性二维流动和混合进行数值模拟研究。采用粒子追踪技术,对混合过程进行了动力学行为表征,证实了新型非对称螺杆内混沌混合的存在。通过统计学分析,得出累积分散准数和拉伸长度,分析了新型非对称双螺杆和传统双螺杆的混合行为差异。

长短叶片复合型刚柔桨强化搅拌槽内流体混沌混合行为

搅拌反应器中混合隔离区的存在是强化流体混合的主要障碍。打破搅拌槽中的对称性流场结构,破坏混合隔离区,可以提高流体混合效率。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),比较了不同桨叶类型、柔性片长度、柔性片数量和桨叶离底高度以及转速对流体混合的影响。结果表明,长短叶片复合型刚柔桨(RF-LSB)桨叶通过刚柔耦合错位连接,柔性片的形变与随机振动对流体的非稳态扰动,使流场结构不稳定性和不对称性增强,强化了流体混合效果。当柔性片数量为3,搅拌转速为90r/min时,RF-LSB体系比刚性桨和刚柔桨体系的LLE值分别提高了20.22%和7.98%;三种体系[RF-LSB(柔性片数量为3)、刚性桨和刚柔桨体系]的混合时间(θm)与单位体积功耗(Pv)呈指数型关系,当Pv相同时,RF-LSB(柔性片数量为3)的θm最小,表明RF-LSB(柔性片数量为3)更有利于流体混沌混合。

通过混沌混合获得特殊相结构的聚合物共混物

综述了三维混沌混合的原理及其在聚合物共混物加工方面的应用。通过三维混沌混合可以得到一种具有特殊微观结构的聚合物多相体系,从而获得性能优异的聚合物材料。

聚苯乙烯和聚乙烯的三维混沌混合

采用自制的三维混沌混合装置 ,研究了聚苯乙烯 (PS)与少量低密度聚乙烯 (LDPE)进行共混时 ,共混物中少相LDPE的结构演化及其对共混物韧性的影响 .扫描电子显微镜 (SEM )和透射电子显微镜 (TEM )的分析表明 ,随着混合周期数的增加 ,少相经历了由宏观颗粒→层片→纤维→微观颗粒的演化过程 ,最终形成了高长径比的纤维和大量尺寸均匀的颗粒 ,而增容剂聚苯乙烯 聚乙烯 丙烯 (SEP)的加入 ,对这一结构的形成是有利的 .冲击强度测试表明 ,在不加入增容剂时 ,LDPE对PS没有增韧作用 ,原因在于相间界面结合很差 ,当加入少量的增容剂后 ,可以获得显著的增韧效果 .