CN113648877A - 一种用于流体混合的自相似搅拌桨 - Google Patents

一种用于流体混合的自相似搅拌桨 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于流体混合的自相似搅拌桨，包括固定套、圆盘以及若干个自相似桨叶。本发明自相似搅拌桨的桨叶主体结构在几何形状上具有自相似性，是基于正方形自相似的图形，且至少自相似迭代一次。该桨在旋转过程中，能够通过自身的相似结构剪切流体，破坏桨叶尾涡，提高流体湍动强度，打破流场中规则结构，强化混合区与规则区流体之间的传递过程，提高流体混合的效果。

Description

一种用于流体混合的自相似搅拌桨
技术领域
本发明涉及流体混合装置领域，尤其涉及一种用于流体混合的自相似搅拌桨。
背景技术
搅拌反应器是化工、石油、医药、冶金、废水处理、生物发酵等生产过程中流体混合的核心装备。搅拌桨是搅拌反应器的关键部件，为流体混合提供所需的能量，影响着流体混合、传递与反应的效率和程度，其流体混合性能与过程经济性和工艺的节能减排密切相关。
但传统的搅拌桨容易在桨叶背后形成较大的尾涡，大约70％的桨叶能量消耗在桨叶尾涡处，桨叶能量得不到充分的利用，流体的湍动强度较弱，流场中容易形成对称性流场，仍然存在着搅拌死区，流体混合效果较差。
发明内容
本发明提供了一种用于流体混合的自相似搅拌桨，以解决传统搅拌桨容易在桨叶背后形成较大的尾涡，桨叶能量得不到充分的利用，流体的湍动强度较弱，流场中容易形成对称性流场，仍然存在着搅拌死区，流体混合效果较差的问题。
本发明提供了一种用于流体混合的自相似搅拌桨，包括固定套、圆盘和若干个自相似桨叶，所述圆盘套设于所述固定套上，所述自相似桨叶均匀设置于所述圆盘上，其中：
所述自相似桨叶的主体结构为所述圆盘以外的桨叶部分，所述自相似桨叶的主体结构为基于正方形自相似的凹凸片状结构；
所述自相似桨叶的非主体结构为所述圆盘以内的桨叶部分；
所述自相似桨叶的主体结构是把一个正方形等分成四个小正方形，依次从西北角的小正方形中心出发往东到东北小正方形中心，再往南到东南角的小正方形中心，再往西到西南角小正方形中心，得到原始结构；然后按照上述划分过程继续至少一次的往下划分，使所划分的图形首尾相连并进行适当的翻转所得到的凹凸片状结构，即将原始结构至少进行一次自相似迭代得到所述自相似桨叶的主体结构。
可选择的，所述自相似桨叶的主体结构的整体尺寸不变，当前自相似迭代中小正方形的边长为原始结构中小正方形边长的1/(2n-1)，其中，n为上次自相似迭代图形中某一行或某一列小正方形的总数量。
可选择的，所述自相似桨叶的主体结构的边长为上次自相似迭代中主体结构相对应边长的(n-1)/(2n-1)，其中，n为上次自相似迭代图形中某一行或某一列小正方形的总数量。
可选择的，所述自相似桨叶的非主体结构的长度为自相似桨叶的主体结构的长度，宽度为自相似桨叶的主体结构宽度的1/15-1/3，厚度为自相似桨叶的主体结构的厚度。
可选择的，所述自相似桨叶的主体结构具有自相似性和分形性。
可选择的，所述自相似桨叶的主体结构的面积随着自相似迭代次数的增多而逐渐减小。
由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过设置若干个自相似桨叶，该桨在旋转过程中，能够通过自身的相似结构剪切流体，破坏桨叶尾涡，提高流体湍动强度，增强桨叶能量传递过程，打破流场中规则结构，强化混合区与规则区流体之间的传递过程，缩短流体混合的时间，提高流体的混合与反应效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的用于流体混合的自相似搅拌桨结构示意图；
图2是本发明提供的用于流体混合的自相似搅拌桨的搅拌装置示意图；
图3是自相似搅拌桨未自相似迭代的原始结构示意图；
图4是在图3基础上一次自相似迭代得到的自相似桨叶结构示意图；
图5是在图3基础上二次自相似迭代得到的自相似桨叶结构示意图；
图6是在图3基础上三次自相似迭代得到的自相似桨叶结构示意图；
图7是图6中标注尺寸处的局部图；
图8为自相似迭代一次的自相似搅拌桨用于酸碱脱色对比实验的数据表；
图9为自相似迭代一次的自相似搅拌桨用于锰矿浸出对比实验的数据表；
图10为自相似迭代二次的自相似搅拌桨用于酸碱脱色对比实验的数据表；
图11为自相似迭代二次的自相似搅拌桨用于锰矿浸出对比实验的数据表；
图12为自相似迭代三次的自相似搅拌桨用于酸碱脱色对比实验的数据表；
图13为自相似迭代三次的自相似搅拌桨用于锰矿浸出对比实验的数据表。
图示说明：
其中，1-电机；2-搅拌轴；3-搅拌槽；4-挡板；5-自相似桨叶；6-圆盘；7-固定套。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于再次描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参见图1，本发明提供了一种用于流体混合的自相似搅拌桨，包括固定套7、圆盘6和若干个自相似桨叶5，所述圆盘6套设于所述固定套7上，所述自相似桨叶5均匀设置于所述圆盘6上，所述自相似桨叶5以圆盘6的圆心为中心均匀设置于所述圆盘6上，其中：
所述自相似桨叶5的主体结构为所述圆盘6以外的桨叶部分，所述自相似桨叶5的主体结构为基于正方形自相似的凹凸片状结构，具有自相似性和分形性；
所述自相似桨叶5的非主体结构为所述圆盘6以内的桨叶部分；
所述自相似桨叶5的主体结构是把一个正方形等分成四个小正方形，依次从西北角的小正方形中心出发往东到东北小正方形中心，再往南到东南角的小正方形中心，再往西到西南角小正方形中心，得到原始结构(如图3所示)；然后按照上述划分过程继续至少一次的往下划分，使所划分的图形首尾相连并进行适当的翻转所得到的凹凸片状结构，即将原始结构至少进行一次自相似迭代得到所述自相似桨叶5的主体结构。
可选择的，所述自相似桨叶5的主体结构的整体尺寸不变，当前自相似迭代中小正方形的边长为原始结构中小正方形边长的1/(2n-1)，其中，n为上次自相似迭代图形中某一行或某一列小正方形的总数量。
可选择的，所述自相似桨叶5的主体结构的边长为上次自相似迭代中主体结构相对应边长的(n-1)/(2n-1)，其中，n为上次自相似迭代图形中某一行或某一列小正方形的总数量。
可选择的，所述自相似桨叶5的非主体结构的长度为自相似桨叶5的主体结构的长度，宽度为自相似桨叶5的主体结构宽度的1/15-1/3，厚度为自相似桨叶5的主体结构的厚度。
可选择的，所述自相似桨叶的主体结构的面积随着自相似迭代次数的增多而逐渐减小。
例如，以一次自相似迭代为例，图3为未自相似迭代的原始结构，小正方形边长为L1＝4.2cm，然后对其进行第一次自相似迭代，如图4所示，第一次自相似迭代中小正方形边长L2为L1的1/3，得到的自相似桨叶的主体结构的边长为原始结构相对应边长的1/3，自相似桨叶的主体结构的面积为11.76cm2。自相似桨叶的非主体结构的长度LA为自相似桨叶的主体结构的长度4.2cm，宽度LB为0.6cm，是自相似桨叶的主体结构宽度的1/7，厚度为自相似桨叶的主体结构的厚度。
实验1：利用上述例子中一次自相似迭代的自相似搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有自相似搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m，液体高度保持在0.6m，液体为2.0％的羧甲基纤维素钠溶液，在不同转速条件下进行酸碱脱色实验。实验结果见图8。从图8酸碱脱色实验结果可以看出，在搅拌转速分别为60rpm，120rpm，180rpm条件下，本发明公开的自相似迭代一次的自相似搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，混合体系的混合时间分别缩短了11.11％，9.68％和7.41％。
实验2：利用上述例子中一次自相似迭代的自相似搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有自相似搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m。在搅拌槽内加入品位为15％左右的锰矿10kg，浓硫酸6kg，液体高度保持在0.6m，进行锰矿浸出实验。实验结果见图9。从图9锰矿浸出实验结果可以看出，在相同搅拌转速和浸出时间的条件下，本发明公开的自相似迭代一次的自相似搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，锰矿浸出率提高了1.43％。
以二次自相似迭代为例，图3为未自相似迭代的原始结构，小正方形边长为L1＝4.2cm，然后对其进行二次自相似迭代，如图5所示，二次自相似迭代中小正方形边长L3为L1的1/7，得到的自相似桨叶的主体结构的边长为第一次自相似迭代得到的自相似桨叶主体结构相对应边长的3/7，自相似桨叶的主体结构的面积为10.08cm2。自相似桨叶的非主体结构的长度LA为自相似桨叶的主体结构的长度4.2cm，宽度LB为0.6cm，是自相似桨叶的主体结构宽度的1/7，厚度为自相似桨叶的主体结构的厚度。
实验3：利用上述例子中二次自相似迭代的自相似搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有自相似搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m，液体高度保持在0.6m，液体为2.0％的羧甲基纤维素钠溶液，在不同转速条件下进行酸碱脱色实验。实验结果见图10。从图10酸碱脱色实验结果可以看出，在搅拌转速分别为60rpm，120rpm，180rpm条件下，本发明公开的自相似迭代二次的自相似搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，混合体系的混合时间分别缩短了16.67％，16.13％和14.82％。
实验4：利用上述例子中二次自相似迭代的自相似搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有自相似搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m。在搅拌槽内加入品位为15％左右的锰矿10kg，浓硫酸6kg，液体高度保持在0.6m，进行锰矿浸出实验。实验结果见图11。从图11锰矿浸出实验结果可以看出，在相同搅拌转速和浸出时间的条件下，本发明公开的自相似迭代二次的自相似搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，锰矿浸出率提高了2.87％。
以三次自相似迭代为例，图3为未自相似迭代的原始结构，小正方形边长为L1＝4.2cm，然后对其进行三次自相似迭代，如图6所示，三次自相似迭代中小正方形边长L4为L1的1/15，得到的自相似桨叶的主体结构的边长为二次自相似迭代得到的自相似桨叶主体结构相对应边长的7/15，自相似桨叶的主体结构的面积为9.25cm2。自相似桨叶的非主体结构的长度LA为自相似桨叶的主体结构的长度4.2cm，宽度LB为0.6cm，是自相似桨叶的主体结构宽度的1/7，厚度为自相似桨叶的主体结构的厚度。
实验5：利用上述例子中三次自相似迭代的自相似搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有自相似搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m，液体高度保持在0.6m，液体为2.0％的羧甲基纤维素钠溶液，在不同转速条件下进行酸碱脱色实验。实验结果见图12。从图12酸碱脱色实验结果可以看出，在搅拌转速分别为60rpm，120rpm，180rpm条件下，本发明公开的自相似迭代三次的自相似搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，混合体系的混合时间分别缩短了22.22％，19.36％和18.52％。
实验6：利用上述例子中三次自相似迭代的自相似搅拌桨，并参见图2，搅拌轴2由电机1驱动，搅拌轴2上安装有自相似搅拌桨，并在搅拌槽3中对流体进行混合搅拌操作。搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板4宽度为0.048m。在搅拌槽内加入品位为15％左右的锰矿10kg，浓硫酸6kg，液体高度保持在0.6m，进行锰矿浸出实验。实验结果见图13。从图13锰矿浸出实验结果可以看出，在相同搅拌转速和浸出时间的条件下，本发明公开的自相似迭代三次的自相似搅拌桨与常规直叶搅拌桨相比，锰矿浸出率提高了4.18％。
由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过设置若干个自相似桨叶，该桨在旋转过程中，能够通过自身的相似结构剪切流体，破坏桨叶尾涡，提高流体湍动强度，增强桨叶能量传递过程，打破流场中规则结构，强化混合区与规则区流体之间的传递过程，缩短流体混合的时间，提高流体的混合与反应效率。
以上仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于流体混合的自相似搅拌桨，其特征在于，所述用于流体混合的自相似搅拌桨包括固定套(7)、圆盘(6)和若干个自相似桨叶(5)，所述圆盘(6)套设于所述固定套(7)上，所述自相似桨叶(5)均匀设置于所述圆盘(6)上，其中：
所述自相似桨叶(5)的主体结构为所述圆盘(6)以外的桨叶部分，所述自相似桨叶(5)的主体结构为基于正方形自相似的凹凸片状结构；
所述自相似桨叶(5)的非主体结构为所述圆盘(6)以内的桨叶部分；
所述自相似桨叶(5)的主体结构是把一个正方形等分成四个小正方形，依次从西北角的小正方形中心出发往东到东北小正方形中心，再往南到东南角的小正方形中心，再往西到西南角小正方形中心，得到原始结构；然后按照上述划分过程继续至少一次的往下划分，使所划分的图形首尾相连并进行适当的翻转所得到的凹凸片状结构，即将原始结构至少进行一次自相似迭代得到所述自相似桨叶(5)的主体结构。
2.如权利要求1所述的用于流体混合的自相似搅拌桨，其特征在于，所述自相似桨叶(5)的主体结构的整体尺寸不变，当前自相似迭代中小正方形的边长为原始结构中小正方形边长的1/(2n-1)，其中，n为上次自相似迭代图形中某一行或某一列小正方形的总数量。
3.如权利要求1所述的用于流体混合的自相似搅拌桨，其特征在于，所述自相似桨叶(5)的主体结构的边长为上次自相似迭代中主体结构相对应边长的(n-1)/(2n-1)，其中，n为上次自相似迭代图形中某一行或某一列小正方形的总数量。
4.如权利要求1所述的用于流体混合的自相似搅拌桨，其特征在于，所述自相似桨叶(5)的非主体结构的长度为自相似桨叶(5)的主体结构的长度，宽度为自相似桨叶(5)的主体结构宽度的1/15-1/3，厚度为自相似桨叶(5)的主体结构的厚度。
5.如权利要求1所述的用于流体混合的自相似搅拌桨，其特征在于，所述自相似桨叶(5)的主体结构具有自相似性和分形性。
6.如权利要求1所述的用于流体混合的自相似搅拌桨，其特征在于，所述自相似桨叶(5)的主体结构的面积随着自相似迭代次数的增多而逐渐减小。
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