旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)流場的研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器是一種新型的微化學反應(yīng)器，它的基本構(gòu)造是兩個同軸旋轉(zhuǎn)的圓臺，內(nèi)圓臺為轉(zhuǎn)子，外圓臺為定子，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過馬達調(diào)節(jié)，而夾縫的大小可以通過移動定子調(diào)節(jié)。圓臺夾縫內(nèi)注入反應(yīng)物溶液，一般為不可壓縮流體。旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器在制備納米材料方面的應(yīng)用前景很廣闊。實驗表明，與傳統(tǒng)的反應(yīng)器相比，由該反應(yīng)器制備的納米功能性材料具有平均粒徑小和粒度分布窄的特點，這里的決定因素主要為流場的行為和微觀反應(yīng)，本文選擇了流場為研究對象，同時與倒置的旋轉(zhuǎn)液膜反

2、應(yīng)器中的流場進行比較。
　　通過數(shù)值模擬和理論分析探究不同初始條件、邊界條件和反應(yīng)器的幾何參數(shù)對旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)流場的影響。對旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)的流場建立數(shù)學模型，尋找合理的數(shù)值模擬方法，將所得到的數(shù)值結(jié)果與文獻中已有的實驗結(jié)果進行比較。本文的研究結(jié)果可為制備納米材料的實驗研究提供必要的理論指導(dǎo)。
　　本文首先對旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)的流場進行數(shù)學建模，然后通過量綱分析降低所研究問題的維數(shù)。量綱分析使流場中的各物理量之間的依賴關(guān)系更

3、加明確。通過量綱分析證明了決定影響旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)無量綱壓強和速度的參數(shù)為以下四個:半徑比、縱橫比、圓臺傾斜角和雷諾數(shù)。此外，基于無量綱分析給出了該反應(yīng)器不同尺寸下的流動滿足力學相似性的充分必要條件。隨后論文對旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器當縱橫比為12.5、半徑比為0.8、傾斜角為82°時進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，當雷諾數(shù)很小時，流場中的流動是層流，流動無泰勒渦產(chǎn)生;當雷諾數(shù)達到112.5時，流動從半徑最大的位置開始失穩(wěn)，并產(chǎn)生第一個泰勒渦;當雷諾數(shù)增

4、至192.5時，流場中充滿6對渦。當增大反應(yīng)器的縱橫比至25時，流場滿渦時渦的對數(shù)由6對變?yōu)?1對，并且縱橫比越大，流場中的壓強和速度就越大。另外，如果反應(yīng)器的傾斜角變小，則流場中的渦呈非常明顯的上大下小分布。繼續(xù)增大雷諾數(shù)渦將出現(xiàn)波動。
　　對小雷諾數(shù)，本文基于Taylor-Couette的層流解對壓強積分，導(dǎo)出流場壓強的近似解析解。通過對流場數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，數(shù)值結(jié)果與近似解析解非常接近。對影響流場的不同參數(shù)值進行計算得出:雷諾數(shù)

5、越小，兩種解的吻合的越好，隨著雷諾數(shù)的增大，這種吻合效果就會變差。此外，縱橫比越大和傾斜角越接近直角，數(shù)值解和近似解析解就越接近。由于裝置中的上、下邊界都是固璧，因此，流場中越遠離上、下端，兩種解的吻合效果就越好。
　　將倒置的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器與旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器內(nèi)部的流場進行比較，研究結(jié)果顯示，由于兩種形狀的反應(yīng)器內(nèi)流體所受離心力沿軸向不同，導(dǎo)致流體的流動也不同。當雷諾數(shù)達到112.5時，兩種形狀反應(yīng)器中流場均在半徑最大的位置生成第一

6、個Taylor渦。隨著雷諾數(shù)的增大，反應(yīng)器中的流場會向半徑小的方向逐漸成對增加Taylor渦，前者向下，后者向上。當雷諾數(shù)同為大約192.5時，兩種反應(yīng)器內(nèi)的流場會同時充滿Taylor渦。
　　當?shù)怪玫男D(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的上底邊界半封閉，且與一個同軸旋轉(zhuǎn)圓柱的夾縫相連，內(nèi)圓柱和內(nèi)圓臺以相同的角速度旋轉(zhuǎn)。對此裝置，Wimmer在實驗中發(fā)現(xiàn)，當流場的雷諾數(shù)略大于圓臺滿渦的臨界值時，圓臺夾縫內(nèi)產(chǎn)生的渦的個數(shù)不再是固定的、成對的，而是呈周期的

7、奇偶交替出現(xiàn)。通過數(shù)值模擬，本文重現(xiàn)了Wimmer實驗中出現(xiàn)的這種現(xiàn)象。結(jié)果顯示，當雷諾數(shù)為195時，圓臺間充滿渦;當雷諾數(shù)略大于這個臨界值，如Re=200時，圓臺間產(chǎn)生的渦的個數(shù)是呈周期性的奇偶交替。本文除了重現(xiàn)Wimmer實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象以外，還研究了繼續(xù)增大雷諾數(shù)時渦的發(fā)展和演變。當雷諾數(shù)增大到220時，圓臺間渦的個數(shù)奇偶交替的周期變大;當雷諾數(shù)增大到300時，圓臺和圓柱夾縫內(nèi)都充滿渦，渦的個數(shù)不再發(fā)生變化。
　　數(shù)值模擬還

8、發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圓臺初始旋轉(zhuǎn)加速度不同，穩(wěn)定后形成的流場也不同。無量綱加速度為d Re/dt=10時，圓臺間產(chǎn)生的渦的個數(shù)的變化周期大約為90秒，渦的數(shù)量為12或者13個;無量綱加速度為d Re/dt=150時，渦的個數(shù)的變化周期大約為148秒，產(chǎn)生的渦的數(shù)量為12、13或者14個。因此，從周期上來看，內(nèi)圓臺的無量綱加速度越小，渦的演變周期越短;從產(chǎn)生的渦的數(shù)量上來看，內(nèi)圓臺的無量綱加速度越小，流場中產(chǎn)生的渦的個數(shù)越少。上述數(shù)值模擬得到的結(jié)果與