CBY桨搅拌槽内湍流结构的研究

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1、第37卷第5期北京化工大学学报(自然科学版)Vo1．37．No．52010正JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)2010CBY桨搅拌槽内湍流结构的研究刘心洪郭欣高正明(北京化工大学化学工程学院，北京100029)摘要：在槽径为0．192m的CBY桨搅拌槽内，采用时间解析粒子图像测速仪(time—resolvedPIV，TRPIV)和常规二维粒子图像测速仪(2DPIV)对搅拌槽中速度场进行了测量。分别用小波分析法和角度解析法将搅拌槽中周期性脉动和湍流脉动分开，发现两种

2、方法所得的结果具有较好的一致性，说明了小波分析方法能够提取湍流动能。进一步研究表明，小波分析能将脉动速度分解到各个尺度上，频率越低的尺度所含的能量越大，且各尺度能量有着相似的分布规律。此外，随着雷诺数的增大，无因次化后的周期性脉动动能和真实湍流动能基本不变。关键词：小波分析；搅拌槽；TRPIV；湍流结构；能谱中图分类号：TQ027流的能量分布和在不同雷诺数下湍流动能的变化情芦Ij士百况。各种形式的搅拌槽普遍应用于化工、冶金、食1搅拌槽内速度场的测量品、制药等领域。搅拌槽内流场的流动特性对搅拌槽内物料的混合程度起着至关重要的作用。实验采用平底圆形有机玻璃

3、搅拌槽，内径T=由于桨叶的作用，搅拌槽内的湍流具有周期性192mm，配置单层标准CBY桨，直径D=0．4T，距槽的特征，为了得到真实的湍流脉动，以往的作者底距离C=T／3，全挡板条件，挡板宽度为T／10。以常利用常规二维粒子图像测速仪(2DPIV)测定搅拌清水为工作介质，液位高度H=192mm，如图1所示槽内的速度场，并采用角度解析的方法将周期性脉动和湍流脉动分开。时间解析粒子图像测速仪(time．resolvedPIV，TRPIV)相对于常规2DPIV而言，对速度场有很高的时间分辨功能，但是角度解析厂测量平面]的方法并不适用于TRPIV。小波分析是当

4、前应用数l1量E学中一个迅速兴起的领域，在湍流研究领域已经有二二)II一了广泛的应用。本文以CBY桨叶作为研究体系，首先在CBYlIlL38mm1__j桨搅拌槽内分别采用TRPIV和常规2DPIV测定了一一l92mm搅拌槽内的速度场，并进一步利用角度解析和小波分析方法分别将上述两种方法测定速度场的湍流脉图1实验装置图Fig．1Schematicillustrationoftheexperimentalapparatus动和周期性脉动分开。通过对比研究，证明了小波为避免圆形壁面对光的折射，将搅拌槽安置在分析方法能够分离湍流脉动和周期性脉动，并说明上述两种

5、方法的特点。此外，本文研究了各尺度湍一个同样材质的长方形器皿内，内部充满相同液位的清水介质。示踪粒子为直径约8～12m的空心收稿日期：2010—02—26玻璃珠，桨叶转速N=156．25，160，180，200，220r／基金项目：国家自然科学基金(20776008／20821004／20990224)min。搅拌槽内雷诺数为第一作者：男，1982年生，博士生Re=DⅣp／g(1)通讯联系人其中，P为工作介质水的密度，tz为水的黏度，得到相E—mail：gaozm@mail．buct．edu．cn应的Re=1．536×10，1．573×10，1．769

6、×10，北京化工大学学报(自然科学版)1．966×10，2．163×10。本实验采用TRPIV系统，由连续激光器、高速相机和频率控制器组成。激光器发出的激光束通过24554柱面透镜形成片光，垂直于方槽的玻璃壁面射人圆l96432柱形有机玻璃槽内。用分辨率(1024x1024)的1473240982l58CMOS相机拍摄流场中的粒子图像，用频率控制器0491079设定拍摄频率。相机安放在与激光入射平面相邻的平面前，拍摄区域集中在叶轮区。对于N=156．25r／min的情况，采样频率为2000Hz，样本数为6000。为了进行比较，用常规的2DPIV测量同一

7、区域，采O01O2O304用角度解析的方法，把两叶片之间120。平均分为r

8、T12个相位，每个相位各200对图像。选择迪卡尔坐图2平均速度场标系，坐标轴r，，分别代表径向、轴向、切向，以Fig．2Meanvelocityfield槽底中心为原点。对于N=160，180，200，220r／rain的情况，用TRPIV进行测量，采样频率分别为：2，576，640，704Hz，样本数均为3000，选择不同的采样频率是为O了方便用O小波O变换对O数据进行处理。432l2结果与讨论2．1小波分析提取湍流动能的方法验证图3A点的径向脉动速度一时间序列2．1．1脉动

9、速度的功率谱密度Fig．3Radialfluctuatingvelocity—timeseri