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1.2H ₁、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。     

刚柔组合搅拌桨强化搅拌槽中流体混沌混合

搅拌槽内普遍存在着两种不同类型的混合区域：混沌混合区和规则区。增大混沌混合区,是提高流体混合效率、降低搅拌过程能耗的重要途径。而合理设计搅拌桨有助于流体形成适宜的流动状态,实现混沌混合。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚柔组合搅拌桨,可强化流体混沌混合行为。结合Matlab 软件,实验研究了双层桨搅拌槽内自来水体系的最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）的变化规律,对比分析了刚性桨和刚柔组合桨两种桨叶对流体混沌混合的影响。结果表明,刚柔组合桨强化流体的运动特性,使更多流体进入混沌混合状态。在转速为210 r·min^-1时,流体的混沌混合达到最佳状态,刚性桨体系的LLE为0.041,而刚柔组合桨体系的LLE为0.048;刚柔组合桨可有效耗散能量,使整个槽体的能量分布均匀,刚柔组合桨在150 r·min^-1时的多尺度熵率与刚性桨在210 r·min^-1时基本相近;刚柔组合桨体系的混合时间均低于刚性桨体系,在转速为120 r·min^-1时,刚柔组合桨使流体的混合时间缩短了26%左右。刚柔组合桨可改变流场结构和能量耗散方式,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

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LabVIEW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。     

多层刚柔组合桨诱发流场界面失稳强化非牛顿流体混沌混合行为

传统多层刚性桨用于假塑性非牛顿流体混合搅拌死区较大，流场界面稳定，混合效率低。提出多层刚柔组合桨诱发流场界面失稳强化非牛顿流体混沌混合的方法。实验以羧甲基纤维素钠为非牛顿流体体系，通过扭矩传感器测量功率特性，酸碱中和脱色法测定混合时间，并利用Matlab 软件编程计算最大Lyapunov 指数，分析了非牛顿流体混合过程中的混沌特性及其混合性能。结果表明，组合方式为RF-（PBTD+PBTD+DT）、桨叶排列方式θ=60°、柔性片长度安装比例r=0.8、1.2时，混沌程度较高，混合性能较好。多层刚柔组合桨可以产生多股螺旋流，并在层间柔性片扰动频率差下实现流场界面失稳，搅拌死区减小，在较低转速下使体系进入混沌状态（多层刚柔组合桨体系N>88 r/min时LLE>0，多层刚性桨体系N>125 r/min时LLE>0）；在相同转速下，多层刚柔组合桨混合速率、单位体积功率高于多层刚性桨，而单位体积混合能大致相同。     

穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合

运用LabView和Matlab软件分别采集和处理穿流式刚-柔组合搅拌桨扰动澄清槽中油-水两相流体内部的压力脉动信号,得出的最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）,反映流体内部的混沌程度;同时采用流场可视化技术观测流体混合状态。结果表明,相比于刚性组合桨,穿流式刚-柔组合搅拌桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用改变流场的结构和能量耗散方式,使流体的混沌程度和混合状态都优于刚性组合桨。当转速为88 r·min^-1时,流体的混沌混合都达到最佳状态,各实验条件下的LLE均大于零,表明流场混合体系已进入混沌状态,且穿流式刚-柔组合搅拌桨体系的MSE明显高于刚性组合桨体系,说明穿流式刚-柔组合搅拌桨的混合效果优于刚性组合桨。另外,柔性片上穿流孔的数目和柔性桨叶的厚度对流场的混沌特性也有明显的影响。     

穿流式刚-柔组合搅拌桨强化混合澄清槽内油-水两相混沌混合

运用Lab View和Matlab软件分别采集和处理穿流式刚-柔组合搅拌桨扰动澄清槽中油-水两相流体内部的压力脉动信号,得出的最大Lyapunov指数(LLE)和多尺度熵(MSE),反映流体内部的混沌程度;同时采用流场可视化技术观测流体混合状态。结果表明,相比于刚性组合桨,穿流式刚-柔组合搅拌桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用改变流场的结构和能量耗散方式,使流体的混沌程度和混合状态都优于刚性组合桨。当转速为88 r·min-1时,流体的混沌混合都达到最佳状态,各实验条件下的LLE均大于零,表明流场混合体系已进入混沌状态,且穿流式刚-柔组合搅拌桨体系的MSE明显高于刚性组合桨体系,说明穿流式刚-柔组合搅拌桨的混合效果优于刚性组合桨。另外,柔性片上穿流孔的数目和柔性桨叶的厚度对流场的混沌特性也有明显的影响。     

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90 r/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（θ_m）与单位体积功耗（P_v）呈指数型关系，当P_v相同时，RF-LSB（柔性片数量为3）的θ_m最小，表明RF-LSB（柔性片数量为3）更有利于流体混沌混合。     

弹性搅拌桨强化液-液两相混沌混合及液滴分散特性的研究

传统的混合澄清槽一般采用刚性搅拌桨来实现液-液两相的混合萃取，普遍存在效率低、能耗高等问题。将一种弹性搅拌桨应用在混合澄清槽中，以强化液-液两相混沌混合及分散特性。以最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）表征体系混沌状态，以分散相液滴粒径分布、Sauter平均粒径（D₃₂）等表征分散效果，分别研究了桨叶类型（弹性搅拌桨、刚柔组合桨及刚性桨）、弹簧长度、线径、外径等因素对混沌混合效果和分散特性的影响。结果表明，相比较刚性搅拌桨和刚柔组合搅拌桨，弹性搅拌桨通过弹簧的形变和储能作用，强化了搅拌能量的传递方式，提高了分散相的分散效果，有利于液液两相的混沌混合，在搅拌转速N=200 r/min、弹簧线径为0.6 mm、弹簧相对长度为1.2、弹簧外径为7 mm时，弹性搅拌桨体系的LLE和MSE更大，且MSE值波动最强；同时，各搅拌体系内分散相平均粒径D₃₂与转速呈对数线性关系，弹性搅拌桨体系内分散相液滴尺寸更小且数量更多。     

湿法磷酸固-液体系混沌混合与浸出强化行为

湿法磷酸浸出过程中,传统刚性搅拌桨的作用方式主要是剪切作用,容易形成对称性流场结构,降低搅拌效率。实验考察了桨叶类型、离底高度、搅拌速度、柔性钢丝绳长度、柔性钢丝直径对磷矿浸出率及最大Lyapunov指数(LLE)的影响。实验结果表明:刚柔组合桨通过刚-柔-流的耦合作用,改善流场的结构,提高了流体混沌混合效果。当搅拌转速225 r/min,浸出时间120 min,离底高度h=T/4,柔性钢丝绳直径d=0.42r,柔性钢丝绳长度L=1.3T时,刚柔组合桨的最大Lyapunov指数达到0.09071,磷矿浸出率提高了10.8%。另外,在相同的功耗(Pv=9890 W/m3)条件下,刚柔组合桨使反应器内的悬浮均匀度和渣中磷含量分别降低了40.8%和17.67%,有效地改善了晶体的形貌,提高了磷石膏的过滤性能,强化了颗粒的混合与浸出。     

错位刚柔桨强化搅拌槽内流体混合实验及数值模拟

为消除搅拌反应器中混合隔离区，对标准刚性桨（R-RT）、错位刚性桨（PR-RT）和错位刚柔桨（PRF-RT）三种桨叶体系的流体混沌特性参数、流场结构以及流体运动速度进行了探讨。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE），通过计算流体力学研究了三种桨叶体系流场结构和流体运动速度的差异。实验及计算结果表明，错位刚柔桨通过柔性桨叶的随机扰动破坏了隔离区介稳态流场边界，较大程度地消除了混合隔离区。PRF-RT的LLE相比于R-RT和PR-RT分别提高了13.29%和7.25%，MSE也较PR-RT和R-RT大；PRF-RT增强了流场不稳定性，形成了不对称性流场结构，减少了隔离区分布范围；PRF-RT强化桨叶能量耗散，提高了搅拌槽底部、顶部液面以及搅拌槽壁区域流体运动速度，减小了流体混合时间。     

湿法磷酸固-液体系混沌混合与浸出强化行为

湿法磷酸浸出过程中，传统刚性搅拌桨的作用方式主要是剪切作用，容易形成对称性流场结构，降低搅拌效率。实验考察了桨叶类型、离底高度、搅拌速度、柔性钢丝绳长度、柔性钢丝直径对磷矿浸出率及最大Lyapunov指数(LLE)的影响。实验结果表明：刚柔组合桨通过刚-柔-流的耦合作用，改善流场的结构，提高了流体混沌混合效果。当搅拌转速225 r/min，浸出时间120 min，离底高度h=T/4，柔性钢丝绳直径d= 0.42r，柔性钢丝绳长度L=1.3T时，刚柔组合桨的最大Lyapunov指数达到0.09071，磷矿浸出率提高了10.8%。另外，在相同的功耗(P _v=9890 W/m³)条件下，刚柔组合桨使反应器内的悬浮均匀度和渣中磷含量分别降低了40.8%和17.67%，有效地改善了晶体的形貌，提高了磷石膏的过滤性能，强化了颗粒的混合与浸出。     

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。     

穿流-刚柔组合桨强化固液两相的悬浮行为

采用双向流固耦合计算方法对搅拌槽内刚性桨(RDT-PBDT)、刚性组合桨(R-RDT-PBDT)、刚柔组合桨(RF-RDT-PBDT)、穿流-刚性组合桨(PR-RDT-PBDT)以及穿流-刚柔组合桨(PRF-RDT-PBDT)体系中的固液两相悬浮特性和桨叶总变形量、等效应力进行了研究。结果表明,在相同功耗下,PRF-RDT-PBDT的最大变形量分别是RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT、PR-RDT-PBDT的1.984×106倍、1.247×103倍、1.169倍、1.041×103倍。PRF-RDT-PBDT的应力大于RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT的,比PR-RDT-PBDT的应力分布更均匀。PRF-RDT-PBDT体系的固体颗粒最大Uz/Utip值和最大ε/D2N 3值分别比RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT和PR-RDT-PBDT体系提高了53.08%和80.84%,38.03%和28.42%,22.14%和20.16%,10.85%和5.725%。PRF-RDT-PBDT能够增大与流体之间的相互耦合作用,增大固体颗粒的轴向速度,提高体系的湍动能耗散率,减小搅拌槽底部固体颗粒的堆积程度,提高固体颗粒的悬浮程度。     

穿流-柔性组合桨强化搅拌槽中流体混沌混合特性

刚性搅拌桨在搅拌混合过程中得到广泛的应用,在搅拌容器内容易形成两种不同的混合区域:混沌混合区和混合隔离区。强化流体混合的有效途径是合理设计搅拌桨,从而调控流体混沌混合行为。实验运用Labview和Matlab软件采集和处理流体内部压力脉动信号,并获取流体混沌特性参数Kolmogorov熵,对穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵随转速的变化规律进行了研究。结果表明,相比传统刚性桨,穿流桨对Kolmogorov熵影响不大。穿流-柔性组合桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用调控流场结构,使流体混沌混合的效果最好,在转速为180 r·min^-1时流体的混沌混合达到最佳状态,穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵为0.285,而传统刚性桨体系的Kolmogorov熵只为0.125;穿流-柔性组合桨体系的混合时间明显低于传统刚性桨体系,当转速为120 r·min^-1时穿流-柔性组合桨体系的混合时间比传统刚性桨体系缩短了17%。     

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(LE_max)随单位体积功耗(P_v)的变化规律。结果表明,只加入固体颗粒对原体系LE_max的影响不大,当P_v=2000 W·m^-3时,使用柔性桨后体系LE_max增加10.29%;柔性桨与固体颗粒协同作用时,可使体系LE_max增加30.86%。在P_v≤2000 W·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。     

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（C_e）、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C_e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C_e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C_e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。     

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。     

脉冲射流-刚柔组合桨强化流体混沌混合及传质性能研究

传统搅拌反应器普遍使用刚性桨进行机械搅拌，导致反应器内容易产生混合隔离区而降低流体混合效率。采用多流场耦合诱发混沌现象，促使更多流体进入混沌状态，是提高流体混合效率的有效途径之一。结合Matlab软件编译PJ-RF-RT体系中的压力脉动信号得到最大Lyapunov指数（LLE）与多尺度熵（MSE），探究不同脉冲周期下占空比、桨型、柔性桨叶厚度、桨离底高度及脉冲空气射流量对搅拌反应器内流体混沌混合的影响，同时，对比分析了桨型、射流类型、气流量对体积氧传质系数K_La的影响。研究结果表明，在脉冲周期T=0.4 s，占空比D=80%时，RF-RT桨体系较R-RT桨体系的LLE增大了11.58%，且RF-RT体系的MSE显著高于R-RT桨体系，表明脉冲射流刚柔组合桨体系能更好地诱发流体混沌，增大流体混合效率，均化体系能量分布。此外，脉冲射流耦合RF-RT桨体系增强了流体的湍流特性，促使液膜厚度减小，强化了传质，在单位体积功耗P_v=360 W/m³时，PJ-RF-RT体系的K_La较PJ-R-RT提高了13.46%，PJ-R-RT体系的K_La较SJ-R-RT提高了11.86%。     

穿流-刚柔组合桨强化固液两相的悬浮行为

采用双向流固耦合计算方法对搅拌槽内刚性桨（RDT-PBDT）、刚性组合桨（R-RDT-PBDT）、刚柔组合桨（RF-RDT-PBDT）、穿流-刚性组合桨（PR-RDT-PBDT）以及穿流-刚柔组合桨（PRF-RDT-PBDT）体系中的固液两相悬浮特性和桨叶总变形量、等效应力进行了研究。结果表明,在相同功耗下,PRF-RDT-PBDT的最大变形量分别是RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT、PR-RDT-PBDT的1.984×10⁶倍、1.247×10³倍、1.169倍、1.041×10³倍。PRF-RDT-PBDT的应力大于RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT的,比PR-RDT-PBDT的应力分布更均匀。PRF-RDT-PBDT体系的固体颗粒最大U_z/U_tip值和最大ε/D²N³值分别比RDT-PBDT、R-RDT-PBDT、RF-RDT-PBDT和PR-RDT-PBDT体系提高了53.08%和80.84%,38.03%和28.42%,22.14%和20.16%,10.85%和5.725%。PRF-RDT-PBDT能够增大与流体之间的相互耦合作用,增大固体颗粒的轴向速度,提高体系的湍动能耗散率,减小搅拌槽底部固体颗粒的堆积程度,提高固体颗粒的悬浮程度。