朱俊，劉作華,，鄭雄攀，陳超，王運東

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雙層剛柔組合攪拌槳調控流體宏觀不穩(wěn)定性行為

朱俊1，劉作華1,2，鄭雄攀1，陳超1，王運東2

（1重慶大學化學化工學院，重慶 400044；2清華大學化學工程系，北京 100084）

流體宏觀不穩(wěn)定性是攪拌槽內流體流動存在大尺度低頻非穩(wěn)態(tài)準周期現(xiàn)象，可以影響流體的能量﹑質量的傳遞行為。為揭示在雙層組合槳作用下攪拌槽內流體的非穩(wěn)態(tài)流動規(guī)律，實驗采用頻譜分析和流場可視化技術研究雙層組合槳攪拌槽內自來水體系的宏觀不穩(wěn)定性，對比分析了雙層剛性槳和雙層組合槳對流體混合的影響。結果表明：直徑為的攪拌槽內流體宏觀不穩(wěn)定頻率與轉速呈線性增大趨勢，在轉速為180 r·min-1時離底距離 0.25剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率消失，出現(xiàn)譜帶現(xiàn)象，流場呈現(xiàn)多尺度結構特征，而離底距離為0.33和0.5的剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率分別為0.5096 Hz和0.3459 Hz。雙層組合槳體系分別使流體的混合時間縮短了22.5%和35%左右，減小離底距離，可使流場的規(guī)則區(qū)減小。雙層剛柔組合槳調控流體宏觀不穩(wěn)定性，強化流體的能量傳遞行為，從而縮短混合時間，提高了流體的混合效率。

混合；攪拌容器；傳遞；宏觀不穩(wěn)定性；流場可視化；雙層剛柔組合槳

引 言

機械攪拌反應器廣泛應用于化工、冶金、生物、制藥及食品等工業(yè)，其經濟性與流體混合性能密切相關[1-6]。流體混合是分子擴散、渦流擴散以及主體對流擴散共同作用實現(xiàn)的。流體的混合具有時空混沌特性，并且遠離非平衡態(tài)，此過程蘊含復雜的非線性行為。攪拌槽內的流體流動形態(tài)是一個高度湍流狀態(tài)，而在湍流區(qū)包含三維非定常、多尺度的渦運動，這種運動在尺度上可橫跨多個數(shù)量級。攪拌槽內存在的這種渦運動是一種非穩(wěn)態(tài)的流體流動，它使流體在時間和空間尺度上具有明顯的流動形態(tài)的變化[7]。研究已經證實，攪拌槽內流體流動存在大尺度低頻非穩(wěn)態(tài)準周期現(xiàn)象，并將這種現(xiàn)象稱作流場的“宏觀不穩(wěn)定性”(macro-instability, MI)。日本學者Winardi等[8]首次報道了這種低頻率、大尺度流場脈動現(xiàn)象。而攪拌槽內的宏觀不穩(wěn)定性現(xiàn)象可改變流場的流動形態(tài)，還對流體的傳熱傳質及混合有很大影響[9-10]。樊建華等[11]發(fā)現(xiàn)，低轉速（30 r·min-1）時攪拌槽內存在明顯的宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象, 其發(fā)生周期為槳葉通過周期的18倍和110倍；轉速在30～60 r·min-1時宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象依然明顯；隨著轉速的提高（120～180 r·min-1），攪拌槽內脈動隨機性增強，宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象相對減弱，對應頻率與轉速呈線性比例關系，其斜率分別為0.022和0.2。Nomura等[12]發(fā)現(xiàn)，攪拌槽內的宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象可促使物料趨于理想混合，并可節(jié)約能量耗損。

目前，攪拌槽內流體的宏觀不穩(wěn)定性研究較多，而這些研究所用的攪拌槳均為剛性攪拌槳。Bruha 等[13-14]發(fā)現(xiàn)攪拌槽中流體的宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象是攪拌槳在轉動過程中帶動系統(tǒng)內流體發(fā)生單循環(huán)流動和雙循環(huán)流動的交替引起的。Kresta 等[15]也發(fā)現(xiàn)攪拌槽內宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象在近葉輪區(qū)的流體速度場的功率譜圖中表現(xiàn)為一個10?2～102s?1之間的低頻顯著峰值。本研究在前期研究的基礎上[16-19]提出剛柔組合攪拌槳。這種槳葉在攪拌過程中柔性部分受到攪拌軸和流動介質的相互作用，可在多個方向上出現(xiàn)擺動，改變流體的流動狀態(tài)。劉作華等[20-22]研究發(fā)現(xiàn)，剛柔組合槳可改變流場結構和能量耗散方式，強化流體混沌混合，實現(xiàn)高效節(jié)能操作。柔性槳在轉速低于250 r·min-1時，流體宏觀不穩(wěn)定頻率與轉速呈線性關系；轉速超過250 r·min-1，流體因界面卷吸行為吸入空氣，宏觀不穩(wěn)定頻率譜圖呈現(xiàn)功率譜帶，流場結構呈多尺度結構特征，流體宏觀不穩(wěn)定頻率消失，液液混合體系出現(xiàn)明顯的乳化現(xiàn)象。

在前期的研究基礎上，本研究擬設計雙層剛柔組合攪拌槳，并將其與雙層剛性槳做對比分析，以宏觀不穩(wěn)定性頻率為參數(shù)，結合混合時間及流場可視化技術分析攪拌槽中流體的混合行為。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

采用的攪拌裝置如圖1所示，實驗在內徑為0.48 m的平底圓柱形有機玻璃攪拌槽中進行，液體高度為0.85 m, 沿槽內壁均勻布置4條寬度為0.05 m的擋板。使用雙層攪拌槳（圖2），分別為雙層剛性槳（double rigid impeller，DRDT）、雙層剛性組合槳（double rigid combination impeller，DR-RDT）和雙層剛柔組合槳（double rigid-flexible impeller，DRF-RDT），槳葉幾何參數(shù)見表1。槳葉間距為，按順時針方向旋轉。攪拌介質為自來水，25℃時密度998.2 kg·m-3，黏度0.89×10-3Pa·s。柔性材料使用硅膠，密度為875 kg·m-3。實驗用的采集系統(tǒng)由壓力脈動傳感器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集軟件LabView組成。壓力傳感器采用Honeywell公司140PC微型壓力傳感器，實驗中的采樣點位于兩層槳葉的中間位置，距槽底距離為。數(shù)據(jù)采集器使用的是USB接口便攜式NI USB-6009型多功能數(shù)據(jù)采集卡。

圖1 實驗裝置

1—frequency converter; 2—frequency conversion motor; 3—stirring shaft; 4—baffle; 5—upper impeller; 6—pressure sensor; 7—stirred tank;8—lower impeller

圖2 實驗用雙層攪拌槳

1.2 實驗方法

實驗在室溫下進行，用數(shù)據(jù)采集軟件LabView分別采集剛性槳和雙層剛柔組合槳體在不同轉速下穩(wěn)定攪拌10 min后的壓力脈動時間序列數(shù)據(jù)，采樣率s設定為1000 Hz。通過小波分析對壓力脈動時間序列進行消噪處理，結合Matlab軟件編程計算各工況的宏觀不穩(wěn)定性頻率MI。

2 理論分析

2.1 宏觀不穩(wěn)定性頻率MI

機械攪拌混合原理是靠槳葉的旋轉帶動液體循環(huán)，從而加速體系中的傳熱和傳質過程。攪拌過程中，電動機通過攪拌軸和攪拌槳把能量傳給流體，流體不斷地運動，產生湍流。流體的湍流造成的瞬間作用力導致流體的內壓變化。分析流體內壓強的變化，可分析出攪拌槽內的高頻振動和低頻流體宏觀不穩(wěn)定性[20]。

2.2 流場可視化技術

攪拌槽內的流場可視化技術是觀測或拍攝攪拌過程中反應器內流體顏色變化，直觀反映攪拌槽中流場的混沌區(qū)和規(guī)則區(qū)的演變情況，同時確定流體混合時間的數(shù)值。劉作華等[21]采用碘液脫色法測定流體的混合時間，并記錄流場的混沌區(qū)和規(guī)則區(qū)的演變情況。這種方法是利用碘液被亞硫酸鈉還原，槽內碘液逐漸褪色來觀測混合時間和流場演變情況。該方法簡單﹑實用。具體步驟如下：首先，向攪拌槽中的自來水溶液加入50 ml 0.2 mol·L-1碘液，攪拌混合均勻，此時溶液呈黃褐色；其次，調節(jié)攪拌轉速，然后從攪拌槽的頂部位置加入52 ml 0.2 mol·L-1Na2SO3溶液，在攪拌過程中亞硫酸鈉被氧化，而碘被還原，溶液逐漸褪色，發(fā)生的化學反應如下

用數(shù)碼相機拍攝攪拌槽內流體混合的整個演變過程，并記錄相應的混合時間m。

3 結果與討論

3.1 宏觀不穩(wěn)定性頻率

3.1.1 轉速對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響 利用Matlab軟件編程計算雙層剛性槳體系在不同轉速下的宏觀不穩(wěn)定性頻率，各轉速下的功率譜如圖3所示。

圖3 雙層剛性槳體系在不同轉速下的功率譜圖

將圖3中的宏觀不穩(wěn)定性頻率與其對應的各轉速進行線性擬合，如圖4所示。由圖可以看出，攪拌槽宏觀不穩(wěn)定性頻率與轉速呈現(xiàn)線性增大趨勢。這說明隨著轉速的增大，攪拌槽中的流體的湍動增強，流體的混合效率提高。通過擬合公式得到宏觀不穩(wěn)定性頻率與轉速呈線性比例關系，即

圖4 轉速對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響

3.1.2 槳葉類型對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響如圖5所示，雙層組合槳（DR-RDT和DRF-RDT）的宏觀不穩(wěn)定性頻率均大于剛性槳體系。結果表明，雙層組合槳在攪拌過程中增強了流體的軸向流，加速了上下層流體的流動，使槽內流體的湍動得到增強，而且雙層剛柔組合槳（DRF-RDT）的宏觀不穩(wěn)定性頻率大于其他槳葉。此外，雙層剛柔組合槳的中間柔性槳葉在轉動時發(fā)生了變形，而這種變形導致它的運動包含繞軸的轉動及自身小范圍旋轉，改變了攪拌槽內的流場結構，強化了流體的能量傳遞，提高了流體的混合效率。

圖5 轉速和槳葉類型對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響

3.1.3 離底距離對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響 實驗對雙層剛柔組合攪拌槳體系進行了研究分析，保持上層槳位置不動，移動下層槳，使下層槳的離底距離分別為0.5、0.33和0.25，同時保持柔性槳葉長度與槳葉間隔之比相等（/為1.17）。圖6為不同離底距離時體系宏觀不穩(wěn)定性頻率消失時所對應的功率譜圖。

圖6 雙層剛柔組合槳體系在不同轉速和離底距離時的功率譜圖

如圖6和圖7所示，離底距離對雙層剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率有一定影響。在轉速為180 r·min-1時，離底距離0.25的剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率消失，此時離底距離為0.33和0.5的剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率分別為0.5096 Hz和0.3459 Hz。這是由于離底距離越小雙層槳間隔越大，雙層槳之間的柔性葉片就使更多的能量傳遞給周圍流體而形成軸向流，增強了槳葉間隔之間流體的流動，使宏觀不穩(wěn)定現(xiàn)象更加明顯，提高了流體的混合效率。

圖7 雙層剛柔組合槳體系不同離底距離對宏觀不穩(wěn)定性頻率的影響

3.2 實驗驗證雙層剛柔組合槳的混合性能

3.2.1 雙層剛柔組合槳對混合性能的影響 實驗對3種雙層攪拌槳進行了研究，裝置采用雙層槳，上下層槳葉均采用六直葉渦輪槳，如圖8所示，分別為雙層剛性槳﹑雙層剛性組合槳和雙層剛柔組合槳1。

圖8 不同槳葉體系混合時間與轉速的關系

由圖可以看出，流體的混合時間都隨轉速的增大而減小，在低轉速段（120 r·min-1以下）混合時間隨轉速的增大降低幅度尤為明顯，在轉速較高時混合時間隨轉速趨于最低值。與雙層剛性槳相比，雙層剛柔組合槳縮短了流體的混合時間，提高了流體的混合效率。這是因為在轉動過程中中間柔性槳葉可在兩個槳葉之間形成螺旋渦，增強了槳葉上下區(qū)域流體軸向的運動，強化了流體的傳質速率，從而縮短了流體的混合時間。

圖9的照片序列展示了雙層攪拌槳體系在相同時間間隔內流場的演變情況。由圖可以看出，在混合時間10 s時雙層組合槳體系槳葉之間區(qū)域優(yōu)先脫色。這說明雙層組合槳（DR-RDT和DRF-RDT 1）可以破壞槳葉之間的規(guī)則區(qū)，使更多流體進入混沌狀態(tài)，提高流體的混合效率。相比雙層剛性槳，雙層組合槳增加了系統(tǒng)的功耗，但雙層組合槳可以大幅度縮短流體的混合時間，雙層組合槳體系使流體的混合時間分別縮短了22.5%和35%左右。

3.2.2 離底距離對雙層剛柔組合槳體系混合性能的影響 實驗對雙層剛柔組合攪拌槳體系進行了研究分析，保持上層槳位置不動，移動下層槳，使離底距離分別為0.5、0.33和0.25，同時保持柔性槳葉長度與槳葉間隔之比相等。

如圖10所示，流體的混合時間都隨轉速的增大而減小，在轉速較高時混合時間隨轉速趨于最低值。離底距離對于雙層剛柔組合槳體系的混合時間影響很大。這是因為攪拌槽內的阻礙流體混合的區(qū)域存在于槳葉的上下兩側，而下層槳葉與槽底之間的區(qū)域是阻礙流體混合的主要區(qū)域（稱為規(guī)則區(qū)）[18]，離底距離越小規(guī)則區(qū)就越小，而加入中間槳葉可以很好地消除兩個槳葉之間的規(guī)則區(qū)，從而縮短混合時間，提高了流體的混合效率。

圖10 在不同離底距離時混合時間與轉速的關系

圖11的照片序列展示了在不同離底距離時雙層剛柔組合槳體系在相同時間間隔內流場的演變情況。從圖中可以看出，在混合時間10 s時DRF-RDT3體系較其他槳葉體系脫色（即混合）很明顯。這表明離底距離（或槳葉間隔）對流體的混合時間影響很大。這是由于剛柔組合槳的柔性葉片可破壞槳葉之間的規(guī)則區(qū)，減小離底距離，從而增強流體的湍動。相比DRF-RDT1體系，其他雙層剛柔組合槳體系使流體混合時間分別縮短了17%左右和30% 左右。

圖11 雙層剛柔組合槳體系在120 r·min-1時混合實驗現(xiàn)象

4 結 論

（1）剛柔組合攪拌槳結構參數(shù)和操作參數(shù)可調控流體混合宏觀不穩(wěn)定性頻率，從而強化流體混合行為。

（2）與雙層剛性槳相比，雙層組合槳體系使流體的混合時間分別縮短了22.5%和35%左右，離底距離越小規(guī)則區(qū)就越小，而加入中間柔性槳葉可以很好地消除兩個槳葉之間的規(guī)則區(qū)，從而縮短混合時間，提高了流體的混合效率。

（3）在轉速為180 r·min-1時，離底距離0.25剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率消失，此時離底距離為0.33和0.5的剛柔組合槳體系的宏觀不穩(wěn)定性頻率分別為0.5096 Hz和0.3459 Hz。

符 號 說 明

D——槳葉直徑, m d——槳葉間距, m fs——采樣頻率，Hz H——流體高度，m L——雙層組合槳中間槳葉長度, m N——轉速，r·min-1 T——攪拌槽直徑, m tm——混合時間，s W——雙層組合槳中間槳葉寬度, m μ——黏度，Pa·s ρ——密度，kg·m-3

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提出了一種以專業(yè)論文文本大數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源的評價因子取值新方法，這種方法使得評價因子研究的信度和效度得到提高。對專家論文進行客觀數(shù)據(jù)分析的方法，降低了以往評價因子取值的個人主觀性。為主觀評價提供客觀數(shù)據(jù)參考，可以提高評價因子取值方法的客觀性和科學性，也符合時代發(fā)展需要具有的高效性特點。所以，這種方法是對傳統(tǒng)評價因子取值方法的重要補充。

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Macro-instability regulated by double rigid-flexible combination impeller

ZHU Jun1, LIU Zuohua1,2, ZHENG Xiongpan1, CHEN Chao1, WANG Yundong2

(School of Chemistry and Chemical EngineeringChongqing UniversityChongqingChina;Department of Chemical EngineeringTsinghua UniversityBeijingChina

Fluid macro-instability is a large scale low frequency transient quasi-periodic phenomenon existing in stirred vessel, and affects fluid energy and mass transfer behavior. To reveal the nature of unsteady flow in a stirred vessel with double rigid-flexible impeller, tap water was used as working fluid, and wavelet analysis and flow field visualization were adopted to analyze the influence of double rigid-flexible impeller on the frequency of macro-instability. The difference between double rigid and double rigid-flexible impellers was analyzed in terms of mixing performance. The frequency of macro-instability increased linearly with agitation speed. At agitation speed 180 r·min-1, macro-instability frequency values of rigid-flexible impeller were 0.5096 Hz and 0.3459 Hz with off-bottom clearance 0.33and 0.5, respectively. Compared with double rigid impeller system, mixing time was shortened by about 22.5% and 35%, respectively. But macro-instability with off-bottom clearance 0.25disappeared and bands phenomenon appeared. Shortening the off-bottom clearance could reduce the regular area. Double rigid-flexible combination impeller regulated fluid macro-instability and strengthened energy transfer behavior, so as to shorten mixing time and improve mixing efficiency of the fluid.

mixing; stirred vessel; transfer; macro-instability; flow field visualization; double rigid-flexible impeller

2014-07-14.

LIU Zuohua, liuzuohua @cqu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141058

TQ 027.2

A

0438—1157（2015）03—0896—09

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2012CBA01203）；清華大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室開放課題（SKL-ChE-12A02）；重慶市自然科學基金重點項目（CSTC2012JJB0006）。

2014-07-14收到初稿，2014-11-05收到修改稿。

聯(lián)系人：劉作華。第一作者：朱?。?982—），男，博士。

supported by the National Basic Research Program of China (2012CBA01203), the State Key Laboratory of Chemical Engineering (SKL-ChE-12A02) and the Key Natural Science Fund of Chongqing (CSTC2012JJB0006).