涡轮桨变速搅拌槽内湍流混合的实验研究

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1、第34卷第4期燕山大学学报Vo1．34NO．42010年7月JournalofYanshanUniversityJuly2010文章编号：1007-791X(2010)04-0313-05涡轮桨变速搅拌槽内湍流混合的实验研究杨锋苓，曹明建(1．山东大学机械3-程学院，山东济南250061；2．山东省科学院天力干燥公司，山东济南250014)摘要：以NaCI颗粒在水中的溶解为例，对湍流状态下周期性变速旋转的(改变桨叶转向或速度大小，分别称为周期性换向搅拌和周期性依时搅拌)Rushton桨搅拌槽内的混合特性进

2、行了实验研究，并与稳速搅拌进行了对比。实验过程中测量厂不同搅拌模式、不同桨叶安装高度时颗粒的溶解时间，结果证明，搅拌槽底部的流型对NaCI的溶解有重要影响；桨叶安装高度对溶解速度的影响不大，周期性依时搅拌时的溶解时间比稳速搅拌时稍短，而周期性换向搅拌则能明显加快溶解速度，提高混合效率。关键词：涡轮桨；搅拌槽；变速搅拌；湍流；混合中图分类号：TQ027文献标识码：ADOl：10．3969／j．issn．1007—791X．2010．04．006搅拌能改变搅拌槽底部的流动类型，增强槽内流体0引言的湍流程度和混

3、合强度，降低功率消耗与混合时搅拌槽是常见的过程工业设备之一，广泛用于间，提高气液传质和固液悬浮性能等等。单一液相及液一液、气一液、固一液的混合、传质与传Yoshida和Zhang等人研究的都是正弦变速模热等操作中。长期以来，人们普遍采用稳速搅拌模式下低粘度流体的混合与传质性能，这需要特殊的式，即搅拌桨沿同一方向(顺时针或逆时针)稳速传动机构才肯实现，限制了在工业中的应用。为旋转，以此来带动周围流体的流动与混合。但在某此，本文以在水中的溶解为例，研究了无挡板搅拌些情况下，单向旋转搅拌达不到混合与传质的目槽在

4、周期性正反转和周期性依时搅拌两种变速模的。例如，搅拌高黏度物料或对剪切比较敏感的高式下低粘度流体时的混合性能。相比之下，这两种分子材料时，受结构及工艺要求等的限制，搅拌只变速方案不需要额外的传动机构就能实现，只需通能在层流状态下进行，效率不高。为了提高效率，过编程控制电机的转动，进而带动桨叶做同步旋转人们提出了混沌混合的概念，变速搅拌(改变桨叶即可，不会增加设备成本，易于在工业中实现。转向或速度大小)就是其中的⋯种。研究证明，层流状态下，变速搅拌能引起搅拌槽内流体的混沌混1实验研究合，极大地提高了混合效果

5、。。1．1实验装置此外，变速搅拌在低粘度流体的湍流混合与传质方面也具有一定的优势，例如，Zhang等人对正实验装置如图1所示，搅拌槽为平底圆柱形透弦变速和混沌搅拌模式下蔗糖溶解于水的过程进明玻璃槽，直径T=0．2m，无挡板，槽内液体为水，行了研究，并与稳速搅拌进行了对比，结果表明，液面高度H=T，搅拌桨为六直叶圆盘涡轮桨，直径在消耗相同功率的情况下，正弦变速和混沌搅拌都D=2。实验台上的机架可上下自由调整，以调节能极大地缩短混合时间，提高混合效率；Yoshida搅拌桨在槽内的安装高度。计算机发出的指令输入

6、等学者对正弦变速时搅拌槽内湍流状态下的单一到速度控制箱后，控制直流电机的转速，然后经过液相和气-液两相混合以及固液悬浮等内容进行了减速器带动搅拌轴按指定的模式旋转，此时数字式研究，其结果表明，与单向的稳速搅拌相比，往复转速计可通过响应速度传感器发出的信号而直接收稿日期：2009—12．06作者简介：杨锋苓(1979．)，男，山东莒南人，博上研究生，主要研究方向为流体力学数值模拟，Email：yfling27@126．corn。314燕lII大学学报2OlO读出搅拌轴的转速。关于转速控制原理及程序设计好搅拌

7、桨的安装高度后，往搅拌槽内加入水至指定在第2章中有专门论述。高度=．处，静置少许后启动电机按预定模式进行搅拌，待槽内流场稳定后加入50g的NaC1颗粒并开始计时，观察它在水中的溶解情况。由于加入的NaC1的量较少，因此液体的粘度及密度均与纯水非常接近，雷诺数Re约为1．6x10，说明此时槽内流动处于湍流状态。为了减小测量误差，每种搅拌模式下的溶解实验都进行了8次。(a)周期性正反转图1实验装置Fig．1Experimentalset—upi：：：1．2搅拌方案Il『II转速较高的情况下搅拌低粘度流体时，液

8、面上Ij：j：：j{-t：方通常会存在以搅拌轴为中心的漩涡，影响混合效lIIjl1_II果，为了避免这一现象，通过实验确定了在所用装．．．一————．．．．．__Jl———————————————————一—————————————————————————————————————————————．—w———-●置内不会引起漩涡的最大转速为N=120r／min。以；T2T3Tt／s此为准则，匀速搅拌时选择的转速为N-100r／m