搅拌槽内液相层流荧光可视化及高效混合技术

摘要

机械搅拌作为一种重要的混合技术,在化工生产、环保安全、生物制药等领域有着广泛的应用.搅拌效率和流场的分布是衡量搅拌质量的重要指标.然而,在层流搅拌流场中,搅拌桨周期性的扰动产生了环形动力流场导致搅拌槽内普遍存在混合隔离区,隔离区的存在是实现高效混合的主要障碍.本实验基于平面激光诱导荧光技术实现了二维瞬态液相混合流场结构的可视化,研究了Reynolds数和搅拌槽的几何参数对流场结构时空变化规律的影响.基于MATLAB软件对实验图像进行后处理得到非混合区域面积覆盖率,定量计算出流体的混合效率.结果表明,层流搅拌中搅拌槽内叶轮上方和下方出现对称的隔离区域,并且不会随着Reynolds数的增加而消失.通过在搅拌槽内部特定位置(侵入隔离流场几何中心)设置几何挡板结构,破坏隔离区域环形流场的对称性和封闭性,引发混沌混合从而提升混合质量.设置在特定位置的长方体挡板和扇形圆环挡板分别使搅拌槽内流体混合效率在200s内从65％提升至95％和97％.该研究可为高效层流搅拌混合器的设计提供实验数据与理论指导.