旋流静态混合器内流场瞬态特性研究

为揭示高雷诺数下SK型静态混合器非稳态流动特性,利用激光多普勒测速仪对SK型静态混合器的瞬时速度场进行测量。采用功率谱、zui大李雅谱指数、相平面识别混合器内瞬时速度时间序列的混沌特性。基于傅立叶变换对SK型静态混合器速度波动信号进行时域分解,利用自相关函数和互信息函数研究了各个频率段信号的线性相关和非线性相关性。实验研究表明:SK型静态混合器内速度波动时间序列具有混沌特性;功率谱函数随频率的增加呈幂函数衰减;瞬时速度脉动主要能量集中在3.9Hz以下,62.5Hz以上的信号线性无关,75Hz以上的信号不存在非线性和线性相关性。利用湍流高阶矩参数平坦因子和偏斜因子分析了静态混合器内脉动速度的概率密度函数分布以及与正态分布的定量差别。实验结果表明:SK型静态混合器湍流主体区的的倾斜因子S在-2.79和3.12之间波动,平坦因子数值主要分布在3~9.5之间并且F>3和F<3的区域呈片状间歇性分布,证明了SK型静态混合器速度分布偏离高斯分布程度大并且存在拟序结构。为了探讨静态混合内非线性、非均匀性和混沌特性机理,利用高速数据采集系统对SK型静态混合器管壁处脉动压力进行测量。结合小波变换模极大值理论对采集的不同进口流量下壁压波动时间序列用Daubechies二阶小波提取1~7尺度下的特征信号,并分别对提取的信号进行R/S分析。通过对压力波动信号不同尺度下的细节信号与概貌信号研究发现,在不同的尺度下表现出不同的分形结构,且随着进口流量的增大,分形结构的变化趋势基本一致。此外,该系统不仅存在确定性非周期成分,而且不同尺度的旋涡之间的能量交换,导致混沌的产生。各尺度信号的能量分布表明,压力波动信号主要体现了宏观尺度的漩涡级串的相互作用。

为了预测旋流静态混合器内非稳态宏观混合特性,利用脉冲示踪法和计算流体力学相结合,基于正交实验原理研究示踪剂在不同雷诺数下、混合元件长径比及监测位置处的停留时间分布特性。分析操作条件对平均停留时间和径向强化系数的影响顺序,比较了MSM、KSM、SSM、RSM四种旋流静态混合器的强化混合效果。结果表明:SK型静态混合器内的液体单相流动的轴向返混系数较小且数量级为10-2,流动状态接近活塞流;极差计算结果表明对停留时间分布影响顺序为:进口流速>混合元件的长径比>监测位置;而监测位置对混合元件的径向强化能力影响zui大,KSM的强化能力zui大,SSM的强化能力zui小。提出强化因子优化混合器的级数,径向强化系数与螺旋叶片级数的负0.638次幂呈线性关系。利用量纲分析和π定理简化了新型静态混合器流动阻力的影响因素之间的关系式,通过数据整理和回归得到了普遍适用的流动阻力摩擦系数关联式,为其工业化应用提供了理论依据。

静态混合器的工作原理，就是让流体在管线中流动冲击各种类型板元件,增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流,层流时是“分割-位置移动-重新汇合”，湍流时，流体除上述三种情况外，还会在断面方向产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，zui终混合形成所需要的乳状液。之所以称之为“静态”混合器，是指管道内没有运动部件，只有静止元件。