利用流场结构界面失稳强化与调控流体混沌混合的机制

Fluid mixing contains multiscale field structure formation, movement and its evolution. Much research shows that enlarging chaotic mixing region and reducing isolated mixing region contributes to intensify fluid mixing performance. However, the mechanism of reducing isolated mixing region is unclear, and it brings trouble to propose efficient methods to intensify the mixing process for energy saving and emission reduction. Firstly, from the macro level, it aims to establish the model for flow field structure evolution, and analyze the formation method as well as its conditions for chaotic mixing region and isolated mixing region. Relationship between the external controlling parameters and flow field structure will be studied. Secondly, from the local level, the basic kinetics of chaotic mixing region and isolated mixing region, the local flow field structure evolution model will be established for the chaotic mixing region and isolated mixing region, and the relationship between external controlling parameters and the local flow field evolution. To combine macro level and local level flow field evolution model, the external controlling parameters will be discussed including pulse jet, chaotic motor, reciprocating stirring and flexible shaft. Interface instability of flow field structure and local expansion will be investigated, and the controlling mechanism of across scale of flow field structure will be explored. It not only supply new research idea to interface instability to intensify mixing performance, but also supply theoretic basis for stirred reactor optimization design and intensification operation for energy saving and emission reduction.

流体混合是多尺度流场结构形成、运移及演化的非线性动力学过程。研究已表明，增大混沌区、减小隔离区，可强化流体混合。但混沌混合强化的机制仍不清楚，难以提出跨尺度流体混沌混合和节能减排的优化方案。项目首先在宏观层面建立流场结构演化模型，分析混沌区和隔离区形成方式及条件，确定外控参量对混沌混合的影响规律；其次在局域层面分析混沌区和隔离区局域流场结构基本动力学特性，分别构建混沌区和隔离区局域流场结构演化模型，研究外控参量对局域流场结构演化的影响，分析流场斑图动力学行为和混沌吸引子变化规律；结合宏观和局域流场结构演化模型，探讨脉冲射流、混沌电机、组合搅拌桨等外控操作条件下，流场结构界面失稳及局域流场演化及混沌混合强化的规律，探索流体高效节能混合的调控机制，建立强化流体混沌混合的操作模式。本项目研究成果可为多尺度流场结构调控及混沌混合强化提供新的研究思路，还可为流体混合设计、放大与节能减排提供理论依据。

流体混合是多尺度流场结构形成、运移及演化的非线性动力学过程。研究已表明，增大混沌区、减小隔离区，可强化流体混合。但混沌混合强化的机制仍不清楚，难以提出跨尺度流体混沌混合和节能减排的优化方案。项目通过合理设计搅拌桨结构（刚柔组合桨和穿流刚柔组合桨），调控操作参数（脉冲射流、混沌电机、组合搅拌），对搅拌槽内单相、液-液两相、固-液两相、气-液两相流体流场结构界面失稳和局域流场演化及混沌混合强化的过程进行了研究。首先，通过扭矩传感器、压力脉动传感器等采集时间序列信号，用MATLAB软件编程处理这些信号，提取搅拌槽内的最大Lyapunov（LLE）指数，表征体系混沌状态，分析流场斑图动力学行为和混沌吸引子变化规律。其次，采用PIV和CFD模拟手段研究搅拌槽内流场结构及其演变规律。.单项体系主要研究了混沌电机耦合穿流刚柔桨强化单相流体混沌混合。结果表明，在雷诺数Re≈210的条件下，穿流刚柔桨耦合混沌电机体系LLE比穿流刚柔桨体系提高了16.7%。固液混合体系研究主要开展了磷矿浸出实验及粉煤灰悬浮实验。研究发现，当浸出时间为120 min时，相比刚性桨，刚柔桨能促使磷矿浸出率增加了15.12%。粉煤灰悬浮实验结果表明，在相同实验条件下，刚柔桨能明显增大体系颗粒悬浮效果，且刚柔组合桨体系LLE约为刚性桨体系的2倍。钛精矿酸解浸出，液-液混合体系，主要研究了刚柔桨和弹性桨对流体混合的影响。结果表明，弹性桨对流体的切割作用使得体系内液滴尺寸更小，且粒径分布更均一。气-液混合体系，对气体分布器和搅拌桨叶的结构形状进行设计，如（偏心射流刚柔组合桨，环式分布器脉冲射流刚柔组合桨，环式分布器脉冲射流错位分型桨）。同时，基于局部气含率的分布特性，提出了基于混合指数的混合性能量化分析方法。另外，采用分数阶傅里叶变换的方法，实现流体流动过程中的流动特性的提取。以上研究成果可为多尺度流场结构调控及混沌混合强化提供新的研究思路，还可为流体混合设计、放大与节能减排提供理论依据。