魚(yú)尾型攪拌槳設(shè)計(jì)及在羧甲基纖維素鈉溶液中的應(yīng)用

商新月，韓定強(qiáng)，舒雷，楊明金，2，鄒祥，楊玲，2，蒲應(yīng)俊，2

1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；3.西南大學(xué) 藥學(xué)院，重慶 400715

羧甲基纖維素鈉(Sodium Carboxymethyl Cellulose,CMC)屬于纖維素衍生物,是一種離子型纖維素膠,常作為增稠劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、成膜劑等用于冷食、飲料、面制品等食品中[1-2].生物反應(yīng)器攪拌混合食品原料是食品加工過(guò)程中的重要生產(chǎn)工藝,廣泛應(yīng)用于食品和飲料加工行業(yè)[3].攪拌槳是生物反應(yīng)器的核心部件,優(yōu)化攪拌槳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)有利于促進(jìn)反應(yīng)釜內(nèi)流體傳熱傳質(zhì)以及提高混合的均勻性[4],進(jìn)而提高食品的加工品質(zhì)[5].目前,生物反應(yīng)器攪拌槳的研發(fā)主要基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論,忽略流體力學(xué)方面的深入研究,創(chuàng)新性應(yīng)用成果缺乏[6-8].近年來(lái),仿生學(xué)已逐漸應(yīng)用到很多工程領(lǐng)域[9],為生物反應(yīng)器攪拌槳的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了新思路.劉明慧等[10]基于人與動(dòng)物消化系統(tǒng)工作機(jī)制提出了一種柔性反應(yīng)器,該反應(yīng)器對(duì)單相牛頓流體混合表現(xiàn)良好.劉作華等[11-12]借鑒鳥(niǎo)類飛行、魚(yú)類游動(dòng)時(shí)翅膀、魚(yú)鰭與流體的相互作用方式,提出了一種仿生剛?cè)針?有利于單相牛頓流體高效混合.張志豐等[13]以螻蛄挖掘足爪趾為仿生原型,得到了仿生槳葉,實(shí)現(xiàn)了糖化鍋中固液懸浮液“兩低兩高”的設(shè)計(jì)目標(biāo).韓定強(qiáng)等[14]基于鯨魚(yú)尾鰭游動(dòng)提出了一種鯨尾型攪拌槳,提高了單相牛頓流體流場(chǎng)混沌程度.上述仿生攪拌槳主要應(yīng)用于基于牛頓流體單相流的攪拌和混合,缺乏基于非牛頓流體的應(yīng)用研究.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)和粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry,PIV)技術(shù)可應(yīng)用于攪拌混合領(lǐng)域,測(cè)試分析流場(chǎng)速度,獲悉流場(chǎng)分布和流動(dòng)特性[15-17].方玉建等[18-19]利用PIV技術(shù)得到了反應(yīng)釜內(nèi)攪拌非牛頓流體時(shí)的流場(chǎng)速度、湍動(dòng)能、渦量分布等流場(chǎng)流動(dòng)信息,并與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合.Wang等[20-21]用CFD和PIV技術(shù)相結(jié)合的方法得到了攪拌槳攪拌氣液兩相流體時(shí)的氣相分布、液相速度、攪拌功耗、局部氣泡大小等流場(chǎng)信息.綜上,CFD和PIV技術(shù)能為研究流場(chǎng)的攪拌混合和氣液分散性能提供參考.

本文選擇生性兇猛、警惕性高、游速快、生存能力強(qiáng)的雙色刺尻魚(yú)(CentropygeBicolor)的尾鰭作為仿生對(duì)象,通過(guò)Matlab提取尾鰭輪廓坐標(biāo),基于尾鰭輪廓特征和仿生學(xué)原理,設(shè)計(jì)了一種FT槳(Fishtail Turbine),結(jié)合CFD和PIV技術(shù),研究了FT槳在純水、CMC溶液?jiǎn)蜗?、氣液兩相中攪拌混合和氣液分散性?并與傳統(tǒng)RT槳(Rushton Turbine)進(jìn)行了對(duì)比,為新型高性能攪拌槳的設(shè)計(jì)提供參考.

1 材料與方法

1.1 攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 FT槳仿生設(shè)計(jì)

魚(yú)尾尾鰭沿保持身體穩(wěn)定性好、阻力小、游速快等方向進(jìn)化其輪廓形狀,魚(yú)尾游動(dòng)時(shí)與水相互作用,產(chǎn)生了不同于矩形葉片的渦結(jié)構(gòu),使流場(chǎng)混亂程度增加,提高了能量傳播效率[22-23].以生性兇猛、警惕性高、游速快、生存能力強(qiáng)的典型圓尾雙色刺尻魚(yú)尾鰭作為仿生對(duì)象,選取雙色刺尻魚(yú)尾鰭正面圖片(圖1a)進(jìn)行圖像處理.通過(guò)Matlab對(duì)圖片進(jìn)行消噪、二值化、中值濾波處理,采用Canny算法提取尾鰭輪廓數(shù)據(jù),獲取尾鰭輪廓坐標(biāo).考慮到雙色刺尻魚(yú)尾鰭形狀對(duì)稱性和擬合精確性,通過(guò)Matlab擬合工具箱對(duì)尾鰭上半部分輪廓坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行分段曲線擬合,對(duì)稱得到尾鰭輪廓擬合曲線,如圖1b所示.

圖1 尾鰭輪廓擬合

參考化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《圓盤渦輪式攪拌器》(HG/T 3796.5—2005)設(shè)計(jì)RT槳.在此基礎(chǔ)上,基于與RT槳槳葉面積等效原則設(shè)計(jì)FT槳槳葉,在SolidWorks 2016中輸入尾鰭輪廓擬合曲線表達(dá)式,調(diào)整縮放因子至2片槳葉面積相等,得到FT槳槳葉,如圖2所示.FT槳和RT槳的槳葉厚度均為2 mm.

圖2 FT槳仿生設(shè)計(jì)

1.1.2 攪拌系統(tǒng)模型

采用與文獻(xiàn)[14]中相同的單相流模型.在單相流模型基礎(chǔ)上,兩相流模型加裝有氣體分布器.反應(yīng)釜直徑T=200 mm,釜高H1=240 mm,釜厚m1=5 mm.為改善攪拌效果,釜內(nèi)設(shè)置4塊標(biāo)準(zhǔn)擋板(均勻分布),擋板寬度B=19 mm,厚度m2=3 mm.PIV實(shí)驗(yàn)和CFD仿真模擬時(shí),液面高度H2=190 mm,攪拌槳離釜底高度C1=47.5 mm,氣體分布器離釜底高度C2=10 mm,如圖3所示.

圖3 攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 CMC溶液流變特性測(cè)量

制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、0.5%的CMC溶液,分別簡(jiǎn)稱0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液,用于后續(xù)PIV測(cè)試.采用DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量CMC溶液流變特性,用于后續(xù)CFD仿真模擬.測(cè)量樣品體積各5 mL,剪切速率范圍為0.1～100 s-1,每一樣品測(cè)量100個(gè)黏度數(shù)據(jù).

采用Power-law模型描述CMC溶液流變特性,模型方程為[24]:

μa=K(γa)n-1

(1)

式中:μa為表觀黏度;γa為表觀剪切速率;K為稠度指數(shù);n為流動(dòng)行為指數(shù).

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理,得到0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液的Power-law模型方程分別為μa=0.166 4(γa)-0.662和μa=0.317 2(γa)-0.678,決定系數(shù)R2分別為0.976和0.980.

1.2.2 PIV測(cè)試

采用與韓定強(qiáng)等[14]相同的方法進(jìn)行PIV測(cè)試.測(cè)試設(shè)備為北京立方天地科技發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)的2D-PIV系統(tǒng),粒子圖像分析系統(tǒng)軟件為MicroVec V3.6.反應(yīng)釜由透明有機(jī)玻璃制成,容積為5 L.為減小激光照射反應(yīng)釜圓柱面產(chǎn)生折射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,將反應(yīng)釜固定在250 mm×250 mm×250 mm透明有機(jī)玻璃制成的方形容器內(nèi),對(duì)稱布置.容器壁厚為5 mm.方形容器和反應(yīng)釜之間加入純水或CMC溶液,液面高度與反應(yīng)釜內(nèi)液面高度一致.

為避免擋板對(duì)激光照射造成干擾,設(shè)置擋板所在平面b-b與方形容器對(duì)稱平面c-c之間夾角為5°,激光器產(chǎn)生的片光源沿c-c面入射,厚度為1.0 mm,如圖4所示.相機(jī)拍攝區(qū)域?yàn)榉磻?yīng)釜左下150 mm×150 mm區(qū)域.攪拌槳轉(zhuǎn)速設(shè)定為120 r/min,跨幀延時(shí)時(shí)間設(shè)定為1 000 μs.每次拍攝600張PIV圖像,經(jīng)時(shí)均化處理得到c-c平面的時(shí)均速度.圖5為反應(yīng)釜坐標(biāo)系示意圖.

圖4 激光入射平面

圖5 反應(yīng)釜坐標(biāo)系示意圖

湍動(dòng)能根據(jù)PIV測(cè)試速度計(jì)算得出[14]:

(2)

1.2.3 氣含率測(cè)量

采用金瓷科技生產(chǎn)的超聲波距離傳感器NU200F 18TR-S-1000(精度±0.1 mm)測(cè)量氣含率,用于兩相流模型可靠性驗(yàn)證和攪拌性能分析.攪拌槳轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r/min,通氣速率為9.0 L/min[24-25],20次重復(fù).氣含率的計(jì)算公式為:

(3)

式中:α為氣含率;Hg為通氣后反應(yīng)釜內(nèi)液面高度;H0為通氣前反應(yīng)釜內(nèi)液面高度.

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 數(shù)學(xué)模型

單相流采用 Realizablek-ε湍流模型,其流體控制方程為[26]:

(4)

(5)

式中:k為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率;ρ為流體密度;t為流動(dòng)時(shí)間;u為瞬時(shí)速度;μ為流體動(dòng)力黏度;μt為湍流黏性系數(shù);ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度;Gk表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;σk、σε分別為k、ε的紊流普朗特?cái)?shù),σk=1.0,σε=1.2;C1、C2為常數(shù),分別取C1=1.44,C2=1.9.

兩相流采用RNGk-ε湍流模型,其流體控制方程為[24]:

(6)

(7)

式中:Gb表示由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM表示可壓縮湍流的過(guò)渡耗散對(duì)總體耗散率的貢獻(xiàn);μeff為有效黏度;Rε為附加項(xiàng);αk、αε分別為k、ε的反向有效普朗特?cái)?shù);C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù),分別取C1ε=1.42,C2ε=1.68,C3ε=1.3.

1.3.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS ICEM CFD 18.0對(duì)單相流模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.計(jì)算域由內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域2部分組成.內(nèi)區(qū)域是包含攪拌槳的圓柱形區(qū)域,直徑96 mm,軸向高度47.5 mm,其余部分為外區(qū)域.因內(nèi)區(qū)域所處工況情況復(fù)雜,故通過(guò)選取較小最大網(wǎng)格尺寸的方式,對(duì)內(nèi)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理,最終確定3種網(wǎng)格數(shù)量不同的網(wǎng)格劃分方案,記錄每一種方案在點(diǎn)(50,60,50)的速度和RT槳的扭矩值,結(jié)果見(jiàn)表1.考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度,最終選擇方案2,即網(wǎng)格數(shù)量為3 563 798的網(wǎng)格劃分方案,生成的網(wǎng)格見(jiàn)圖6a.采用 ICEM CFD對(duì)兩相流模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.計(jì)算域由內(nèi)區(qū)域、外區(qū)域和上部區(qū)域3部分組成.內(nèi)區(qū)域同單相流模型,上部區(qū)域是液面以上高50 mm的圓柱形空氣區(qū)域,其余部分為外區(qū)域.為簡(jiǎn)化模型未考慮氣體分布器引導(dǎo)管.因內(nèi)區(qū)域所處工況情況復(fù)雜,且氣體分布器總體尺寸較小,故對(duì)它們采取網(wǎng)格局部加密處理,同理得到3種網(wǎng)格劃分方案,記錄每一種方案在點(diǎn)(50,60,50)的速度與RT槳扭矩值,結(jié)果見(jiàn)表1.同樣,考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度,最終選擇方案2,即網(wǎng)格數(shù)量為2 370 916的網(wǎng)格劃分方案,生成的網(wǎng)格見(jiàn)圖6b.完成網(wǎng)格劃分后,在Fluent中將非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格,以提高計(jì)算效率和精度.

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性結(jié)果

圖6 反應(yīng)釜網(wǎng)格

1.3.3 參數(shù)設(shè)置

單相流模型采用基于壓力瞬態(tài)雙精度求解器進(jìn)行求解.利用多重參考系法,內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域通過(guò)interface面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.內(nèi)區(qū)域和攪拌軸所在區(qū)域設(shè)置為moving-zone,轉(zhuǎn)速設(shè)置為120 r/min(與PIV實(shí)驗(yàn)一致),其余區(qū)域設(shè)置為stationary-zone.頂部液面設(shè)置為symmetry類型.采用基于壓力的SIMPLE算法,壓力、動(dòng)量、湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率方程離散均選擇二階迎風(fēng)格式.自由落體加速度g取9.81 m/s2,收斂殘差為1×10-4.

兩相流模型同樣采用基于壓力瞬態(tài)雙精度求解器進(jìn)行求解.氣液混合模擬采用歐拉多相流模型,液相為主相,氣相為次相,表面張力σ=0.073 N/m,氣泡直徑設(shè)置為4 mm.采用Grace模型模擬相間曳力.利用多重參考系法,內(nèi)、外區(qū)域和上部區(qū)域兩兩通過(guò)interior面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.內(nèi)區(qū)域和攪拌軸設(shè)置為moving-zone,轉(zhuǎn)速設(shè)置為400 r/min,其余區(qū)域設(shè)置為stationary-zone.氣體分布器入口設(shè)為速度入口邊界,通氣速率為9.0 L/min,頂部設(shè)置為壓力出口邊界,壓力速度耦合選用Coupled算法,控制方程離散均選擇一階迎風(fēng)格式.初始化時(shí),上部區(qū)域設(shè)為氣相且體積分?jǐn)?shù)為1,收斂殘差為1×10-4.

通過(guò)CFD仿真模擬可獲得作用在攪拌槳和攪拌軸上的扭矩,攪拌功率可計(jì)算為[18]:

P=2πNM

(8)

式中:P為功率;M為扭矩;N為攪拌軸轉(zhuǎn)速.

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

2.1.1 單相流模型

對(duì)比CFD仿真模擬和PIV實(shí)驗(yàn)得到的攪拌槳槳葉末端附近位置軸向速度、徑向速度,以驗(yàn)證模型可靠性[27].攪拌條件:純水,RT槳,轉(zhuǎn)速120 r/min.在圖4中c-c平面內(nèi),X=50 mm,Z=0～120 mm線段上不同位置的軸向和徑向速度經(jīng)無(wú)因次化處理后[14],即軸、徑向速度分別除以各自槳葉末端速度Vtip=πDN/60,分別表示為Uz和Ur,如圖7所示,其中反應(yīng)釜坐標(biāo)系示意圖見(jiàn)圖5.軸向速度、徑向速度模擬值和實(shí)驗(yàn)值具有相同的變化趨勢(shì),表明單相流模型可靠.

圖7 不同位置的軸向速度和徑向速度

2.1.2 兩相流模型

以0.25% CMC溶液驗(yàn)證模型可靠性.攪拌條件:RT槳,轉(zhuǎn)速400 r/min,通氣速率9.0 L/min.通過(guò)CFD模擬得到的總體氣含率為1.85%,通過(guò)PIV實(shí)驗(yàn)得到的總體氣含率為1.98%,模擬值與實(shí)驗(yàn)值高度吻合,表明兩相流模型可靠.

2.2 流體速度

對(duì)于純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液?jiǎn)蜗嗔黧w系,通過(guò)CFD模擬得到FT槳、RT槳攪拌時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)全域速度矢量圖和速度云圖,通過(guò)PIV實(shí)驗(yàn)得到FT槳、RT槳攪拌時(shí)激光拍攝域的速度云圖,如圖8所示.

由圖8a可知,FT槳、RT槳在3種單相流體系中形成流型均為軸向?qū)ΨQ流型,在攪拌槳外側(cè),形成上下2個(gè)主循環(huán)渦流,與楊鋒苓等[28]觀察到的流型一致.隨著CMC溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,液體表觀黏度增加,2個(gè)主循環(huán)渦相應(yīng)減小.

由圖8b可知,FT槳攪拌純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)的有效攪拌區(qū)域的Z軸坐標(biāo)上限分別為135.5 mm、113.0 mm、102.2 mm,與RT槳對(duì)應(yīng)的有效攪拌區(qū)域的Z軸坐標(biāo)上限128.5 mm、113.4 mm、102.0 mm相比,FT槳Z軸坐標(biāo)上限總體上略大于RT槳,故FT槳速度作用區(qū)域略大于RT槳,有利于流體攪拌混合.隨著CMC溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,液體表觀黏度增加,攪拌槳速度作用區(qū)域減少.對(duì)于攪拌0.5% CMC溶液,在反應(yīng)釜頂部區(qū)域形成面積較大且速度為0的區(qū)域,即“死區(qū)”,不利于流體攪拌混合.而頂部速度為0區(qū)域的流體可因重力加速度運(yùn)動(dòng)至攪拌槳作用區(qū)域.

由圖8c可知,PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)得的3種單相流體系流型與CFD模擬流型一致,都在攪拌槳外側(cè)形成了上下2個(gè)主循環(huán)渦流,且這2個(gè)主循環(huán)渦流交界處位于攪拌槳安裝位置,流體高速流動(dòng)區(qū)域都位于攪拌槳葉附近,這進(jìn)一步驗(yàn)證了CFD模擬的準(zhǔn)確性.

在圖4的c-c平面內(nèi),選取X=45 mm、X=54 mm、X=63 mm、X=72 mm的4條直線,分別提取直線上的軸向和徑向速度,經(jīng)無(wú)因次化處理后,結(jié)果如圖9所示.由圖9可知,高徑向速度作用區(qū)域位于攪拌槳安裝高度位置,高軸向速度作用區(qū)域沿高度(Z向)與高徑向速度作用區(qū)域錯(cuò)開(kāi),是攪拌槳外側(cè)2個(gè)主循環(huán)渦流的成因.隨著溶液黏度的增加,軸向、徑向速度減小,不利于溶液攪拌混合.因而,對(duì)于高黏度溶液攪拌混合需采用較高的攪拌速度.

圖9 FT槳和RT槳單相流軸向、徑向速度(攪拌速度120 r/min)

2.3 湍動(dòng)能

根據(jù)公式(2)處理圖8c中的速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到FT槳、RT槳分別攪拌純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)的湍動(dòng)能圖,如圖10所示.

圖10 FT槳和RT槳單相流湍動(dòng)能圖(攪拌速度120 r/min)

由圖10可知,在不同攪拌條件下,FT槳、RT槳攪拌得到的最大湍動(dòng)能區(qū)域均出現(xiàn)在X=50 mm,Z=50 mm附近,2個(gè)主循環(huán)渦流之間,即最大湍動(dòng)能區(qū)域與攪拌槳安裝高度一致,且位于槳葉末端附近.FT槳最大湍動(dòng)能區(qū)域大于RT槳,FT槳湍動(dòng)能作用范圍大于RT槳,反應(yīng)釜內(nèi)頂部流體流動(dòng)性得到改善.

FT槳攪拌純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液得到的湍動(dòng)能最大值分別為0.053 m2/s2、0.037 m2/s2、0.008 4 m2/s2,與RT槳對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能最大值0.038 m2/s2、0.030 m2/s2、0.007 1 m2/s2相比,分別增加了39.47%、23.33%、18.31%,平均增加31.03%.因而,與RT槳相比,FT槳可以明顯提升流體湍動(dòng)能.

此外,同等條件下,攪拌0.5% CMC溶液時(shí)的湍動(dòng)能最大值很低,使攪拌混合效果變差.因而,對(duì)于高黏度流體攪拌混合應(yīng)采用較高的攪拌速度.

2.4 攪拌功率

通過(guò)CFD模擬得到FT槳和RT槳不同工況下攪拌槳和攪拌軸上扭矩,再根據(jù)公式(8)計(jì)算得到攪拌功率,如表2所示.與RT槳相比,FT槳120 r/min攪拌單相流純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí),攪拌功率分別降低2.79%、1.80%、2.56%,平均降低2.37%; FT槳400 r/min攪拌兩相流純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí),攪拌功率分別降低4.58%、4.54%、4.98%,平均降低4.70%.隨著CMC濃度的增大,攪拌功率增大.FT槳在高黏度、高攪拌速度條件下,降低功率的效果更明顯.

表2 攪拌功率

但是,在120 r/min速度攪拌0.5% CMC溶液時(shí),FT槳和RT槳的攪拌功率均低于攪拌0.25% CMC溶液的攪拌功率.此時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)流體頂部區(qū)域速度很低(圖8),攪拌槳主要促進(jìn)反應(yīng)釜內(nèi)底部區(qū)域流體流動(dòng),因而攪拌功率較低.

2.5 氣含率

在攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min、通氣速率9.0 L/min的條件下,通過(guò)CFD模擬得到FT槳、RT槳攪拌純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)的氣含率分布圖,如圖11所示.

圖11 氣含率分布圖

由圖11可知,在不同攪拌條件下,在FT槳、RT槳上部靠近擋板的位置形成高氣含率區(qū)域.與RT槳相比,FT槳形成的高氣含率區(qū)域范圍更大,而且FT槳對(duì)氣液分散效果更好.

FT槳攪拌純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)的總體氣含率分別為1.26%、2.02%、2.78%,與RT槳對(duì)應(yīng)的總體氣含率1.16%、1.85%、2.71%相比,分別相對(duì)增加了8.62%、9.19%、2.58%,平均相對(duì)增加5.94%.因而,與RT槳相比,FT槳可以提高攪拌體系的總體氣含率.

3 結(jié)論

基于雙色刺尻魚(yú)尾鰭輪廓特征和仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種魚(yú)尾型攪拌槳—FT槳,結(jié)合CFD和PIV技術(shù),研究了FT槳在純水和CMC溶液中的攪拌混合和氣液分散性能,得到以下主要結(jié)論:

1) FT槳可以顯著提升流體湍動(dòng)能.與RT槳相比,FT槳以120 r/min 攪拌純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)得到的湍動(dòng)能最大值分別增加39.47%、23.33%、18.31%,平均增加31.03%.

2) FT槳可以明顯降低攪拌功耗.與RT槳相比,FT槳以400 r/min攪拌氣液兩相純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)的攪拌功耗分別降低4.58%、4.54%、4.98%,平均降低4.70%.

3) FT槳具有良好的氣液分散性能.與RT槳相比,在通氣速率9.0 L/min的條件下,FT槳以400 r/min攪拌氣液兩相純水、0.25% CMC溶液、0.5% CMC溶液時(shí)的總體氣含率分別相對(duì)增加8.62%、9.19%、2.58%,平均相對(duì)增加5.94%.