撞击流反应器内幂律流体的流动与混合特性研究

作     者：李保帅 

作者单位：沈阳化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建伟

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：撞击流反应器 数值模拟 幂律流体 流动特性 浓度场 

摘      要：撞击流技术具有提高流体混合效果和强化相间传递的独特优势,现已应用于多个工业领域。例如,在食品生产领域中,常使用撞击流技术促进流体混合,而食品生产过程中所用的一些流体往往表现出幂律流体性质,该性质对流体的流动及混合规律影响显著,因此,研究撞击流反应器内幂律流体的流动与混合特性,对新型撞击流反应器的设计和优化具有积极意义。本文借助数值模拟和实验方法对不同结构参数、操作条件和液相物性下撞击流反应器内流体流动规律和混合特性进行研究,详细内容如下: （1）利用数值模拟方法对不同流变特性、喷嘴间距、入口流速下撞击流反应器内速度场进行分析,发现清水和幂律流体径向射流的速度分布均呈双峰型,不同浓度幂律流体径向射流各截面上的无量纲化径向速度呈高斯型分布,表现出自相似性。 （2）对不同流变特性、喷嘴间距及入口流速下撞击流反应器内径向射流的扩散和速度衰减特性及剪切应力、表观黏度分布进行研究,结果表明,随喷嘴间距增大,径向射流扩展率增大,径向速度衰减率减小,平均剪切应力呈先增大后减小的变化规律,当喷嘴间距L=3D时平均剪切应力值最大,更利于流体混合。入口流速越大,扩展率越小,径向速度衰减率越大,平均剪切应力也随之增大。随着幂律流体浓度增大,径向射流扩展率增大,约为清水扩展率的1.3～3.3倍,而径向速度衰减率从-1.268～-1.125降低到-1.144～-1.082,逐渐小于清水。增大流性指数和稠度系数,扩展率和平均剪切应力均随之增大,而径向速度衰减率逐渐减小。清水和幂律流体的高剪切应力均集中在撞击区和径向射流区,幂律流体在径向射流区的剪切应力呈双峰分布,表观黏度呈多峰分布,流体流变特性对反应器内流体的流动规律影响显著。 （3）对撞击流反应器内清水和幂律流体在不同工况条件下的混合效果及浓度场分布特征进行数值模拟研究,发现清水与幂律流体均表现出流体在撞击区发生混合,再向周围逐渐扩散,随后发生二次混合的混合规律,但幂律流体的混合强度小于清水,混合效果相比于清水较差,增大幂律流体浓度不利于流体快速混合。研究流体的浓度概率密度分布函数（PDF）分布范围发现,清水和幂律流体在L=3D时的浓度PDF主要集中在平衡浓度附近且分布范围相较于L=D和L=5D时更窄,流体混合更加充分。入口流速的变化对流体浓度分布特征的影响具有区域性,在撞击区域,u0=1.77m/s时的浓度PDF分布范围相较于u0=1.3m/s和u0=2m/s时更窄,流体混合效果更好,而在远离撞击区的流体区域,较大的入口流速利于流体的混合。通过研究浓度PDF峰值位置的变化发现,撞击流反应器内混合流体在撞击区域以小尺度涡流为主要运动形式,随着径向及水平距离增加,流体混合主要由集中在径向射流两侧及偏远流体区域的大尺度涡旋结构主导。