旋流靜態(tài)混合器作為一種新型化工過程強(qiáng)化設(shè)備,廣泛適用于石油化工、食品加工、化學(xué)工業(yè)等精細(xì)化工中間體和大宗有機(jī)化工原料的單元混合操作。與傳統(tǒng)的攪拌槽反應(yīng)器相比,靜態(tài)混合器大幅度提高設(shè)備的生產(chǎn)能力,降低工業(yè)生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量,減少廢棄物排放,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但到目前為止,對(duì)其瞬態(tài)流動(dòng)特性的理論探討以及對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的指導(dǎo)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期的水平。本文分析了SK型混合器內(nèi)高粘度流體的運(yùn)動(dòng)特性;通過對(duì)SK型靜態(tài)混合器的瞬態(tài)流場實(shí)驗(yàn)測量,重點(diǎn)研究了混合器內(nèi)瞬態(tài)流場的混沌和分形特性;利用計(jì)算流體力學(xué)軟件考察含有不同混合組件的靜態(tài)混合器的流動(dòng)阻力和宏觀混合傳質(zhì)特性,用以指導(dǎo)這種混合器的優(yōu)化和放大?；诹黧w動(dòng)力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)及Ottino理論,建立了高粘度流體在SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的流體流動(dòng)模型。分析雙極坐標(biāo)系下二維Navier-Stokes方程流函數(shù)的邊值問題,并建立了相應(yīng)的流體微分運(yùn)動(dòng)方程。用Poincare映射方法對(duì)靜態(tài)混合器內(nèi)蠕動(dòng)流的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。給出了系統(tǒng)響應(yīng)隨管壁轉(zhuǎn)動(dòng)頻率變化的zui大Lyapunov指數(shù)曲線圖、典型的Poincare截面圖和相圖。初步判定:高粘度流體在SK型靜態(tài)混合器內(nèi)軸截面的徑向二次流動(dòng)存在混沌特性。為揭示高雷諾數(shù)下SK型靜態(tài)混合器非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性,利用激光多普勒測速儀對(duì)SK型靜態(tài)混合器的瞬時(shí)速度場進(jìn)行測量。采用功率譜、zui大李雅譜指數(shù)、相平面識(shí)別混合器內(nèi)瞬時(shí)速度時(shí)間序列的混沌特性?；诟盗⑷~變換對(duì)SK型靜態(tài)混合器速度波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分解,利用自相關(guān)函數(shù)和互信息函數(shù)研究了各個(gè)頻率段信號(hào)的線性相關(guān)和非線性相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)研究表明:SK型靜態(tài)混合器內(nèi)速度波動(dòng)時(shí)間序列具有混沌特性;功率譜函數(shù)隨頻率的增加呈冪函數(shù)衰減;瞬時(shí)速度脈動(dòng)主要能量集中在3.9Hz以下,62.5Hz以上的信號(hào)線性無關(guān),75Hz以上的信號(hào)不存在非線性和線性相關(guān)性。利用湍流高階矩參數(shù)平坦因子和偏斜因子分析了靜態(tài)混合器內(nèi)脈動(dòng)速度的概率密度函數(shù)分布以及與正態(tài)分布的定量差別。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:SK型靜態(tài)混合器湍流主體區(qū)的的傾斜因子S在-2.79和3.12之間波動(dòng),平坦因子數(shù)值主要分布在3~9.5之間并且F>3和F<3的區(qū)域呈片狀間歇性分布,證明了SK型靜態(tài)混合器速度分布偏離高斯分布程度大并且存在擬序結(jié)構(gòu)。為了探討靜態(tài)混合內(nèi)非線性、非均勻性和混沌特性機(jī)理,利用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)SK型靜態(tài)混合器管壁處脈動(dòng)壓力進(jìn)行測量。結(jié)合小波變換模極大值理論對(duì)采集的不同進(jìn)口流量下壁壓波動(dòng)時(shí)間序列用Daubechies二階小波提取1~7尺度下的特征信號(hào),并分別對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行R/S分析。通過對(duì)壓力波動(dòng)信號(hào)不同尺度下的細(xì)節(jié)信號(hào)與概貌信號(hào)研究發(fā)現(xiàn),在不同的尺度下表現(xiàn)出不同的分形結(jié)構(gòu),且隨著進(jìn)口流量的增大,分形結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)基本一致。此外,該系統(tǒng)不僅存在確定性非周期成分,而且不同尺度的旋渦之間的能量交換,導(dǎo)致混沌的產(chǎn)生。各尺度信號(hào)的能量分布表明,壓力波動(dòng)信號(hào)主要體現(xiàn)了宏觀尺度的漩渦級(jí)串的相互作用。
為了預(yù)測旋流靜態(tài)混合器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)宏觀混合特性,利用脈沖示蹤法和計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合,基于正交實(shí)驗(yàn)原理研究示蹤劑在不同雷諾數(shù)下、混合元件長徑比及監(jiān)測位置處的停留時(shí)間分布特性。分析操作條件對(duì)平均停留時(shí)間和徑向強(qiáng)化系數(shù)的影響順序,比較了MSM、KSM、SSM、RSM四種旋流靜態(tài)混合器的強(qiáng)化混合效果。結(jié)果表明:SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的液體單相流動(dòng)的軸向返混系數(shù)較小且數(shù)量級(jí)為10-2,流動(dòng)狀態(tài)接近活塞流;極差計(jì)算結(jié)果表明對(duì)停留時(shí)間分布影響順序?yàn)?進(jìn)口流速>混合元件的長徑比>監(jiān)測位置;而監(jiān)測位置對(duì)混合元件的徑向強(qiáng)化能力影響zui大,KSM的強(qiáng)化能力zui大,SSM的強(qiáng)化能力zui小。提出強(qiáng)化因子優(yōu)化混合器的級(jí)數(shù),徑向強(qiáng)化系數(shù)與螺旋葉片級(jí)數(shù)的負(fù)0.638次冪呈線性關(guān)系。利用量綱分析和π定理簡化了新型靜態(tài)混合器流動(dòng)阻力的影響因素之間的關(guān)系式,通過數(shù)據(jù)整理和回歸得到了普遍適用的流動(dòng)阻力摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式,為其工業(yè)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
旋渦混合器具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，儀器體積小，耗電省，噪音低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)，基因工程，醫(yī)學(xué)等實(shí)驗(yàn)需要。對(duì)液體、液固、固固（粉末）混合，它能將你所需混合的任何液體、粉末以高速漩渦形式快速混合，混合速度快、均勻、*。所有混合器機(jī)體均采用增強(qiáng)型工程塑料成型技術(shù)，機(jī)體無油漆噴涂，耐酸堿，耐碰撞，工作臺(tái)面全部為耐磨天然橡膠，改變?cè)＞d臺(tái)面易破損的缺點(diǎn)，儀器集成了連續(xù)、調(diào)速、點(diǎn)振、平板型、碗型等所有功能。
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