1、攪拌反應(yīng)器作為流體混合的核心設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油等眾多領(lǐng)域。攪拌反應(yīng)器的效率直接影響整個生產(chǎn)流程的產(chǎn)能和企業(yè)利潤。因而，攪拌反應(yīng)器及流體混合性能是化工過程強(qiáng)化研究的熱點(diǎn)之一。高效節(jié)能攪拌反應(yīng)器的研發(fā)與應(yīng)用的突破點(diǎn)在于合理設(shè)計攪拌槳，發(fā)展混沌混合強(qiáng)化理論，研究單相或多相流體的混合規(guī)律。傳統(tǒng)剛性攪拌槳主要靠剪切作用向流體傳遞能量，在槳葉尖端附近區(qū)域形成混合隔離區(qū)，不利于高效節(jié)能混合。
　　本文以剛?cè)峤M合槳設(shè)計為基礎(chǔ)，空

2、氣-水、固體顆粒-水為研究對象，采用實驗與模擬相結(jié)合的方法，分析各攪拌體系的混合特性。借助ANSYS-Workbench平臺，對各攪拌體系的多相流體混合機(jī)理進(jìn)行研究；利用扭矩傳感器采集多相流體混合過程中的扭矩信號，結(jié)合小波分析和Matlab軟件，計算宏觀不穩(wěn)定性頻率﹑最大Lyapunov指數(shù)和K熵，研究攪拌槽流體的混沌特性；利用酸堿指示劑反應(yīng)的實驗，對流體混沌特性進(jìn)行驗證，并觀測流場的演化過程；針對氣液兩相流體混合，實驗采用電導(dǎo)探針法對

3、氣泡尺寸，局部氣含率進(jìn)行測量；針對液固兩相流體混合，實驗采用流場可視化技術(shù)，觀測各體系固含率分布，研究剛?cè)虢M合攪拌槳強(qiáng)化流體混沌混合的行為。實驗得出如下結(jié)論：
　　氣液兩相混合方面：
　?、俳柚鶤NSYS-Workbench平臺對各攪拌體系進(jìn)行流固耦合分析，發(fā)現(xiàn)柔性槳具有彈塑性，在運(yùn)動過程中，易于受力均勻和能量的擴(kuò)散。在等功耗等通氣量前提下，相比剛性槳（RDT）體系，剛?cè)峤M合槳（RFDT）應(yīng)用其流固耦合作用力，槳葉的最小應(yīng)力

4、提高了34.84%，最大應(yīng)力降低了1.49%，引起流速的提高和湍動動能的加劇，剛?cè)峤M合槳的的最大流速提高了15.79%，平均湍動動能也相應(yīng)變大，整體氣含率也增大。由于上下層槳葉之間區(qū)域處于規(guī)則區(qū)，在對傳統(tǒng)雙層攪拌槳進(jìn)行改進(jìn)之后的雙層剛性組合槳（DR-RDT）體系在氣液兩相混合過程時，增大了中間區(qū)域的湍動強(qiáng)度，槳葉在此區(qū)域的強(qiáng)剪切力加速氣泡的破碎和增大了氣泡在體系內(nèi)的徑向分布。相比傳統(tǒng)剛性槳體系（RDT）體系，雙層剛性組合槳體系(DR-R

5、DT)平均流速加大，湍動強(qiáng)度加劇，氣含率也在一定程度上增大。而雙層剛?cè)峤M合槳體系（DRF-RDT）應(yīng)用其在氣液兩相流體運(yùn)動過程中大變形量引起大范圍的湍動及其多體運(yùn)動，流體的平均速度、湍動強(qiáng)度和整體氣含率進(jìn)一步增大。
　?、趯嶒炦\(yùn)用可視化技術(shù)，電導(dǎo)探針法，混沌參數(shù)分析法來對氣液兩相混合情況進(jìn)行分析，由分析指出，在通氣量為1000m3/h時，相對RDT體系，RFDT、DR-RDT、DRF-RDT體系的臨界泛點(diǎn)功耗分布減少了10.20%

6、、6.73%、14.49%；在各攪拌體系下，氣泡尺寸隨功耗增大而減小，隨通氣量增加而增加，在等功耗、等通氣量的條件下，RFDT體系內(nèi)各區(qū)域的局部氣含率都較RDT體系高，而與傳統(tǒng)攪拌槳體系相比，DR-RDT體系在上下層槳葉之間區(qū)域的氣含率增大，而
　　DRF-RDT體系的增幅更為明顯；在對各攪拌體系進(jìn)行混沌參數(shù)進(jìn)行分析時，可發(fā)現(xiàn)在氣液兩相混合時，流體內(nèi)部的混沌程度隨功耗/通氣量的增加呈先增大后減小的趨勢，而在同等條件下，RDT、RF

7、DT、DR-RDT、DRF-RDT體系內(nèi)的混沌參數(shù)以次增大，即混沌程度也以次增大；運(yùn)用酸堿指示劑法對流體內(nèi)部混沌狀況進(jìn)行驗證時發(fā)現(xiàn)，相對傳統(tǒng)RDT體系，RFDT、DR-RDT、DRF-RDT體系的混合時間分別縮短了6.25%、21.25%、31.25%。
　　③剛?cè)峤M合槳應(yīng)用剛-柔多體運(yùn)動于流固耦合過程中，在一定程度上擾亂流體流場的擬序結(jié)構(gòu)，突出流體多尺度結(jié)構(gòu)的特征。增強(qiáng)了流體混沌混合；而DR-RDT體系則使得各區(qū)域的湍動強(qiáng)度均勻

8、化，同時，在氣液兩相混合時，加速了在上下層區(qū)域槳葉氣泡的破碎和分散，使得能量的耗散均勻。由于柔性體在運(yùn)動時的不穩(wěn)定性及變形量大的特點(diǎn)，DRF-RDT體系在運(yùn)動過程中湍動區(qū)域不斷調(diào)整，湍動范圍不斷改變，使得氣含率增大，流體的混沌狀態(tài)加劇。
　　固液兩相混合方面：
　　①雙層剛?cè)峤M合攪拌槳提高了攪拌槳附近區(qū)域的流速，減小了雙層攪拌槳上下兩層槳葉之間的“死區(qū)”范圍。雙層剛?cè)峤M合攪拌槳的柔性端與周圍流體的波動和擾動行為，增加了反應(yīng)器

9、內(nèi)流體的流速，流體流動加強(qiáng)，可提高流體的混合性能。雙層剛?cè)峤M合攪拌槳通過剛-柔-流耦合運(yùn)動行為增加了槳葉與流體之間的相互作用力，體系湍流動能得到加強(qiáng)，槽內(nèi)流體的運(yùn)動狀態(tài)更為劇烈，進(jìn)一步實現(xiàn)了流體能量和質(zhì)量的傳遞；對于雙層槳固液兩相流體混合體系，組合攪拌槳體系的固液混合能力和分散均勻度均高于雙層攪拌槳；且?guī)в腥嵝怨枘z連接片的雙層剛?cè)峤M合槳體系的顆粒分散混合能力優(yōu)于雙層剛性組合槳；
　?、谠谙嗤珻v和單位體積功耗Pv下，對于RDT、R

10、FDT、DR-RDT、DRF-RDT四個體系來說，DRF-RDT能夠極大程度上地縮短自浮顆粒體系和下沉顆粒體系的混合時間，并且lntmix與lnPv均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。對于自浮顆粒體系來說，當(dāng)Pv=2000W/m3，Cv=3%時，DRF-RDT的混合時間較RDT、RFDT、DR-RDT來說分別縮短了50.27%、43.90%和21.37%；對于下沉顆粒體系，當(dāng)Pv=2000W/m3，Cv=3%時，DRF-RDT的混合時間較RDT、R

11、FDT、DR-RDT來說分別縮短了47.00%、39.73%和8.33%。不同Cv下的各體系，DRF-RDT相比于RDT、RFDT、DR-RDT大大地縮短了體系的混合時間。對于自浮顆粒體系來說，當(dāng)Pv=2000W/m3時，DRF-RDT在不同Cv下體系的混合時間較RDT來說分別縮短了35.32%、40.49%和50.27%；對于下沉顆粒體系當(dāng)Pv=2000W/m3時，DRF-RDT在不同Cv下體系的混合時間較RDT來說分別縮短了21.1

12、4%、34.91%和47.00%。
　　③不同Cv下各個體系的LEmax均大于零，這說明所有體系都進(jìn)入了混沌狀態(tài)。并且隨著Pv的增大，LEmax的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。相同Cv下，不同槳葉類型的體系LEmax有著較大的差別，LEmax大致上從RDT、RFDT、DR-RDT、DRF-RDT體系依次增大，即體系的混沌混合狀態(tài)增強(qiáng)。其中，RDT體系相對于其它三個體系來說，達(dá)到好的混合狀態(tài)需要Pv=4000 W/m3；但RFDT、

13、DR-RDT、DRF-RDT體系在Pv=3500W/m3時混合狀態(tài)就能達(dá)到最佳，其中，在自浮顆粒體系DRF-RDT體系的LEmax在Cv=1%、Cv=2%及Cv=3%時分別比RDT體系的LEmax大7.18%、11.02%和11.08%；在下沉顆粒體系中DRF-RDT體系的LEmax在Cv=1%、Cv=2%及Cv=3%時分別比RDT體系的LEmax大9.67%、10.26%和12.20%。
　　綜上所述，剛?cè)峤M合攪拌槳通過剛-柔-