摘要：通过使用PIV和CFD技术进行实验和数值计算，分别研究了Re=340、980、3000等3种雷诺数下，在过渡流态下的搅拌釜内的流体力学。研究了叶轮转速和流体性质对底层流动结构的影响。通过平均流场分析数据，并通过适当的正交分解，通过分离流动结构的空间和时间特征，对流动动力学进行了深入分析。在实验上，我们发现在Re=340和980时，无量纲速度场依赖于流体性质和叶轮速度，而它们在Re=3000时是自相似的。只有在Re=340时才存在一致的流体结构，但与在较高的雷诺数状态下的结构是不同的。Re=980和3000的特征频率为0.03N和0.13N，这与文献中先前的研究一致。在Re=340中进行的模拟与实验数据有合理的一致性，但它们并不能预测流体流动特性和叶轮速度的相关性。这种不一致性的原因是实验的困难，它需要没有物理扰动，这可能对低过渡雷诺数的流动有显著影响。

关键词：混合；搅拌釜；过渡流状态；CFD；PIV

1引言

在过去的20年里，很多研究都集中在过程强化和新技术的持续处理上，这证明了许多优点，传统的间歇式搅拌釜仍然在过程工业中大量存在。事实上，以连续流技术取代现有的批处理流程并不是有规则的，这主要是由于公司不希望或不能在新设备和过程专业技术中使用这些技术，无论在产品质量、生产率、安全性和/或环境影响方面是否会得到显著的收益。因此，行业仍在寻求提高对现有批处理流程的理解和工程知识，特别是如何操作流程以控制产品质量，以及管理可能的下游处理步骤、能源和浪费。

在众多行业中，包括化学品、农药、制药、化妆品、食品和采矿等众多领域的搅拌釜加工过程中，过渡流状态下的运作非常频繁。这主要是因为在搅拌釜中，层流系统被限制在非常低的叶轮雷诺数(Re)中，通常是Re<10-100，由于旋转叶轮和与容器几何的相互作用，在容器中发生的流动不稳定的发生时间比管道早。充分发展的湍流状态一般被认为是当Re≥20000时，尽管研究表明经常需要Re≥300,000以便在再循环区域和罐的顶部三分之一中获得完全湍流（Machado等，2013）。尽管如此，可追溯到20世纪50年代的文献中的大部分研究集中在完全发展的湍流或纯层流。这是因为流动不稳定性和过渡流量的缩放不足使得实验和模拟难以被理解。因此，搅拌槽应用的工程设计规则和建议通常仅适用于湍流或层流。

文献中关于搅拌槽中过渡流体系的少数研究论述了这些流动的特殊性；然而，确定发生物理现象的一般潜在原因通常并不是重点。例如，Machado和Kresta（2013）和Machado等人（2013）研究了在各种不同的搅拌釜几何结构中，流体从湍流到过渡流的转变，以确定确定釜内不同区域内完全湍流尺度的极限。他们表明，尽管在标准搅拌槽几何形状中，Re>20000，通常考虑完全发展的湍流，但这只是靠近叶轮。需要大于300000的雷诺数才能在罐的高度达到0.9T以上的完全湍流。然而，在非传统的几何形状如密闭式叶轮搅拌槽（CIST）中，在雷诺数低至3000时观察到完全湍流。更一般地，发现在较低的雷诺数下发生完全湍流，罐体直径比D/T增加。他们还表明，固定雷诺数下的无量纲速度分布可能取决于牛顿流体的粘度，因此影响槽内流动状态。Line等人(2013)分析了Rushton涡轮附近剪切稀释液体的流量和耗散率。由于流体的流变性，由于流体的流变性，预计流体在530的叶轮雷诺数下处于过渡流状态，使用Metzner-Otto相关性确定。然而，该方法的有效性和储罐内流动状态的空间变化并没有被讨论。最近，Alberini等人（2017）在Re=70和1000的过渡流中在搅拌槽中进行了三维粒子追踪速度测量（PTV）测量，目的是将测量技术与二维2分量粒子图像测速仪(PIV)进行比较，用于牛顿和非牛顿流动。虽然这项工作并未关注过渡流的特征，但作者指出，在非牛顿流的叶轮放电中，PTV和PIV速度场略有不同。这归因于过渡流的不稳定性质，这表明切向速度分量在这种流动中可能具有重要意义。