流体的混合与搅拌是常见的单设备处理方式，其目的在于使操作容器中两种或多种物料相互分散而达到一定均匀程度，实现不同介质间物质与能量的快速传递及加快体系化学反应等，以提升物料性能或产生新物质混合相态。依据被混合物料体系的不同可分为气液、固液、及气液固三相等。搅拌反应器主要通过搅拌桨将外加能量从电机处传递到槽内介质体系，从而到达不同物相间的分散、快速反应等目的，实现相关过程体系内质量传递、热量传递与动量传递。搅拌反应器设备的性能直接影响流体混合及相关过程工业的经济性和工艺效率。

众所周知，搅拌反应器内流体混合是典型的远离平衡态的非线性过程，必然蕴含大量的非线性动力学机制，包括多尺度流场结构的形成、运移和演化，以及涡的聚并和破裂等过程，具有时空混沌、跨尺度关联耦合的特点，导致反应系统的传递混合规律与反应过程缺乏协同性。这是造成难以有效调控和强化，以及工程放大困难的关键所在。从流场宏观结构看，搅拌反应器内流体分为混沌混合区和混合隔离区，存在着较为稳定的流场结构界面（见图2.2）。重庆大学刘作华、浙江大学冯连芳、山东大学周慎杰等团队研究了流体宏观混沌混合的规律，发现混沌混合是强化流体混合的有效途径。刘作华等研究了流体混合的宏观不稳定性，发现单相流体宏观不稳定频率与转速呈线性关系。而多相流体的多尺度流场结构特征和混沌行为更为明显，难以获取特征的宏观不稳定频率。从流场微观结构看，混沌混合区蕴含三维非定常、多尺度的涡运动，其边界层普遍存在具有混沌特性的多尺度拟序结构，如马蹄涡、涡卷、螺旋涡、线涡、发夹涡、涡环（见图2.3）以及大尺度的拟序结构（见图2.4）等，流体以Lyapunov 指数规律被拉伸，混合程度高。而在混合隔离区，其平均能量低，蕴含旋涡和波状主流等拟序结构的产生、发展和消失等过程，流体颗粒只能以线性规律被拉伸，相互之间耦合的程度非常低，虽也存在着混合现象，但混合程度不高，仅靠分子扩散来完成。在搅拌反应器流体混合过程中，流体宏观尺度和微观尺度之间，广泛存在介尺度的问题，其界面尺寸太小，所涉及的微观过程（包括扩散、对流、化学反应、电化学等）和微观相互作用（包括流体与微观粒子之间、流体与固体界面之间、粒子与粒子之间、粒子与固体或液体界面之间的相互作用等）通常又十分复杂，其实质是界面科学问题。界面是流场结构间很薄的过渡区域，分子间的相互作用力在宏观上表现为表面张力。当界面上存在浓度或温度梯度时，会形成非均匀表面张力（失稳），引起热表面张力流，表现出Marangoni 效应等。

图2.2　流场混沌区与隔离区示意

(www.daowen.com)

图2.3　多尺度涡环及发夹涡结构

图2.4　多尺度拟序涡结构示意

在流体混合过程中，因诱发方式的不同或叠加，流场结构界面将处于失稳状态，在体系内可能形成不同的斑图结构或流场结构界面失稳数值解，此时有不同的混沌特性参数与之相对应，搅拌反应器内的混沌特性参数与流场结构界面失稳将对流体流场结构的形成、运移以及演化规律、能量传递等产生影响，进而影响搅拌反应器内流体混合过程的经济性及搅拌设备的安全平稳运行。

随着非线性科学与混沌理论的发展，人们开始利用混沌现象来诱发流体的混沌混合行为。Liu Chaoqun 等发现，破坏流场对称性和增强流体多尺度结构的不稳定性，可强化流体混沌混合行为。根据动力学扰动措施的不同，诱发搅拌反应器内流体混沌混合可分为时间混沌混合和空间混沌混合两大类。时间混沌混合的机理在于改变搅拌速率，常用措施就是增大搅拌转速，该类混合方式能很好地改善混合效果；空间混沌混合的机理在于破坏流动结构的对称性和周期性，常用措施就是对叶片的布置方式进行非对称性调整、导流管或挡板的引入，以增加反应器结构对流体的扰动程度，在不增加功率消耗的前提下，缩短混合时间。现有强化流体混沌混合的主要方法包括变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌、射流搅拌、多层桨组合搅拌、混沌电机、刚柔组合桨技术等，并都取得了可喜的进展。