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)效益和社會效益。但到目前為止,對其瞬態(tài)流動特性的理論探討以及對工業(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)高粘度流體的運動特性;通過對SK型靜態(tài)混合器的瞬態(tài)流場實驗測量,重點研究了混合器內(nèi)瞬態(tài)流場的混沌和分形特性;利用計算流體力學(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動力學(xué)、非線性動力學(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)的流體微分運動方程。用Poincare映射方法對靜態(tài)混合器內(nèi)蠕動流的動力學(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)流動特性,利用激光多普勒測速儀對SK型靜態(tài)混合器的瞬時速度場進(jìn)行測量。采用功率譜、zui大李雅譜指數(shù)、相平面識別混合器內(nèi)瞬時速度時間序列的混沌特性。基于傅立葉變換對SK型靜態(tài)混合器速度波動信號進(jìn)行時域分解,利用自相關(guān)函數(shù)和互信息函數(shù)研究了各個頻率段信號的線性相關(guān)和非線性相關(guān)性。實驗研究表明:SK型靜態(tài)混合器內(nèi)速度波動時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;瞬時速度脈動主要能量集中在3.9Hz以下,62.5Hz以上的信號線性無關(guān),75Hz以上的信號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。
實驗結(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,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SK型靜態(tài)混合器管壁處脈動壓力進(jìn)行測量。結(jié)合小波變換模極大值理論對采集的不同進(jìn)口流量下壁壓波動時間序列用Daubechies二階小波提取1~7尺度下的特征信號,并分別對提取的信號進(jìn)行R/S分析。通過對壓力波動信號不同尺度下的細(xì)節(jié)信號與概貌信號研究發(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。各尺度信號的能量分布表明,壓力波動信號主要體現(xiàn)了宏觀尺度的漩渦級串的相互作用。
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算流體力學(xué)相結(jié)合,基于正交實驗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)測位置處的停留時間分布特性。分析操作條件對平均停留時間和徑向強(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)的液體單相流動的軸向返混系數(shù)較小且數(shù)量級為10-2,流動狀態(tài)接近活塞流;極差計算結(jié)果表明對停留時間分布影響順序為: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)化混合器的級數(shù),徑向強(qiáng)化系數(shù)與螺旋葉片級數(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，廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)，基因工程，醫(yī)學(xué)等實驗需要。對液體、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，工作臺面全部為耐磨天然橡膠，改變原海綿臺面易破損的缺點，儀器集成了連續(xù)、調(diào)速、點振、平板型、碗型等所有功能。
