搅拌反应器内局域多混沌吸引子耦合与流体混合智能强化规律
批准号:
22078030
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
刘作华
依托单位:
学科分类:
反应工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘作华
中文摘要
流体高效节能混合的关键是根据搅拌反应器内流场时空混沌行为,建立与混沌混合相适应的动态调控方法。因缺乏精准控制流体混沌行为和强化规律的研究,限制了智能搅拌反应器的研发与应用。项目拟通过小波分析、分数阶傅里叶变换处理局域流场压力脉动和扭矩信号,分别获取流场局域和整体混沌吸引子及对应的Lyapunov指数。重点研究流场多混沌吸引子和多涡卷混沌吸引子形成与演化机制,模拟流-固耦合运动行为对混合隔离区、混沌区及介稳区流场演化的规律;结合流场观测、计算模拟及图像处理技术,探究搅拌反应器结构参数、操作参数、局域/整体混沌吸引子、流场结构间转化/演化及流体混合能效之间的关系,揭示局域多混沌吸引子的耦合效应、多涡卷吸引子的群集效应与整体混沌混合强化之间的内在联系,构建分数阶智能混沌动态反馈控制系统,形成局域混沌耦合及整体混沌强化的数理模型和操作模式。项目成果可为智能搅拌反应器设计、优化和放大提供理论支持。
英文摘要
To realize fluid mixing with high efficiency and energy saving, it is crucial to establish the corresponding dynamic controlling methods based on tempospatial chaotic performance. Due to the lack of theories on precise controlling for fluid chaotic mixing performance and process intensification methods, the development and application are inhibited for intelligent stirred reactor with high efficiency and energy saving. In this proposal, local and global chaotic attractors be acquired, as well as their corresponding Lyapunov exponents, by treating the pulse signal from flow field with fractal Fourier transformation. Emphasis will be focused on formation, evolution and coupling interaction mechanism of multiple chaotic attractors and multi- scroll chaotic attractors in stirred reactor, and simulation will be carried out on influence of fluid-solid interaction on formation, evolution and interconversion for flow structures of isolated mixing region, chaotic mixing region, and metastable mixing region. With PIV, CFD simulation and imagine processing technology, relationship between structure parameters, operation parameters, chaotic attractors, fluid structure interconversion/ evolution and mixing energy efficiency will be explored for stirred reactors. Internal mechanism between global chaotic intensification and local chaotic effect will be explored, including multiple chaotic attractor coupling effect, cluster effect of multi-scroll chaotic attractor. Fractional intelligent chaotic and dynamic feed-back controlling system will be established to form mathematic model and operational mode for multiple chaotic attractor coupling intensification. Research fruits can supply theoretic support for development and scaleup of intelligent stirred reactor.
流体高效节能混合的关键是根据搅拌反应器内流场时空混沌行为,建立与混沌混合相适应的动态调控方法。因缺乏精准控制流体混沌行为和强化规律的研究,限制了智能搅拌反应器的研发与应用。项目通过流场可视化实验和CFD数值模拟,结合小波分析、分数阶傅里叶变换等数据处理方法,揭示了搅拌反应器内流体混沌混合强化的原理,构建了局域混沌吸引子与整体混沌吸引子的定量描述和数理模型,建立了搅拌搅拌反应器流体混合能效与多涡卷混沌吸引子的函数映射关系。探索了桨叶结构和挡板结构对搅拌槽内流场结构演化规律和高固含体系固-液悬浮特性的影响。以混沌吸引子形态和涡卷数量表征单相流体的混沌混合程度,以悬浮度表征固液体系颗粒悬浮效果。结果表明,新型刚柔无挡板体系可在传统桨叶无挡板体系的基础上促进固相悬浮,新型刚柔搅拌耦合挡板体系可在进一步使得固相分布更加均匀。当转速为300 rpm,固相体积分数为23%时,新型刚柔无挡板体系悬浮度比传统桨叶无挡板体系提升8%,功耗增幅为54.2%,而新型刚柔搅拌耦合挡板体系悬浮度比传统桨叶无挡板体系提升11%,功耗增加为140.5%。考察了颗粒的密度、大小,搅拌桨类型等因数对不同变径程度下的搅拌槽临界悬浮条件和临界悬浮质量的影响。结果表明,相较于e=1.0的圆形搅拌槽,e=2.0的椭圆变径搅拌槽的临界悬浮转速和临界悬浮功耗分别降低了17.0%和37.4%。此外,利用 LLE 和流场可视化对椭圆变径搅拌槽强化颗粒悬浮的机理进行了阐释。结果表明,相较于e=1.0的圆形搅拌槽,e=2.0的椭圆变径搅拌槽的LLE提高38.5%(PBDT桨)和 61.7%(RDT桨)。通过该项目的研究,加深了对流体混沌混合强化的认识;发现了壁面边界条件、桨叶结构设计、桨叶空间布局均对流体混沌混合强化有着重要作用;将椭圆变径搅拌应用于锰矿浸出过程,多轴群体智能搅拌应用于珠光颜料的悬浮分散过程,通过调控局域流体混沌实现了对流体传递过程的强化,为智能搅拌反应器的设计与放大提供了理论支持。
大型搅拌反应器群体智能混沌强化机制及调控规律
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批准号:CSTB2022NSCQ-LZX0014
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:刘作华
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依托单位:
刚柔组合搅拌桨强化流体混沌混合及放大规律研究
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批准号:21576033
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2015
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负责人:刘作华
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依托单位:
偏心多层桨射流搅拌反应器的混沌混合特性研究
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批准号:20806095
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:18.0万元
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批准年份:2008
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负责人:刘作华
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依托单位:
国内基金
海外基金