采集不同偏心率下桨叶类型、离底高度、空气射流量和转速下的压力脉动时间序列数据，并结合Matlab 软件编译计算LLE 与MSE，探究不同偏心率下不同桨叶类型、离底高度、空气射流量和转速等参数对流体混合行为的影响规律。

（1）搅拌桨桨叶类型对LLE 和MSE 的影响

搅拌桨桨叶类型对LLE 的影响如图4.3 所示。从图中可知，在一定的空气射流量下，随着偏心率的不断增大，LLE 呈先缓慢上升，直到到达最高点，最后下降的变化规律。在该单层搅拌反应器研究体系中，六直叶圆盘涡轮桨的LLE 值最大，相比其他3 种桨叶类型（PBT，RDT，RF-RDT）的LLE 值，平均分别提高了约42.8%，27.0%，6.9%。两种刚柔搅拌桨都比刚性桨的LLE 值大，说明直叶类的涡轮桨有利于分散从搅拌槽底部射入的空气，促进了空气射流流场与搅拌反应器内液相流场的耦合作用，流体的运动无规则性增强，其混合效果优于刚性桨。事实上，刚柔组合桨的柔性部件，伴随搅拌桨主体运动的同时还增加了附近流体的扰动作用，增强了流体颗粒在相邻轨道的随机运动，促进能量由高雷诺数区向低雷诺数区传递，改善了流场的混沌混合效果，提高了流体混合效率。从图4.3 中还可知，LLE 最小值是在偏心率等于0时（空气由搅拌槽底部中心射入），而LLE 值最大时，空气射流的偏心率在0.6 附近。

图4.3　桨叶类型对LLE 的影响

如图4.4 所示表示转速为120 r/min 时，4 种桨叶类型体系下压力脉动信号的MSE 计算结果。从图中可知，4 种不同桨叶类型体系的MSE 值随着尺度的变化在一定范围内波动，表现出明显的混沌特性。总的来讲，刚柔组合桨体系的MSE 值明显大于刚性桨体系的MSE 值。从图中对比还可知，六直叶圆盘式刚性桨和刚柔组合桨的MSE 值也大于六叶斜式桨型的MSE，这是由于直叶式桨型能够很好地分散由槽底进入的射流空气，促进流体粒子的随机运动，混合流动的无规则性更加剧烈。

图4.4　桨叶类型对MSE 的影响

（2）桨叶离底高度对LLE 和MSE 的影响

六直叶圆盘刚柔组合桨叶在不同的离底高度对LLE 与偏心率的影响情况如图4.5 所示。在相同空气射流量和转速一定的情况下，随着离底高度的不断增大，LLE 先增加，后减小，在偏心率等于0.4～0.6 时，LLE 达到最大。同时，随着偏心率变化，当桨叶离底高度等于0.18 m时，LLE 数值最大，即其混沌混合效率最佳。为了进一步研究空气射流对流体混沌混合的协同作用，将与未加空气射流进行对比研究。当无空气射流时，随着桨叶离底高度的增加，LLE 值分别为0.013 1，0.011 4，0.009 3，呈逐渐下降的趋势，其值皆小于有空气射流加入的情况。同时，当离底高度等于0.16 m 时，其LLE 值最大。空气射流的加入不仅促进了流体混合效果，在达到混沌混合的同时，还可以作为优化桨叶离底高度设计的重要手段。

图4.5　离底高度对LLE 的影响

桨叶离底高度对MSE 的影响如图4.6 所示。从图中可知，MSE 在不同尺度上其值表现出不同程度的波动。当桨叶离底高度等于0.16 m 或者0.18 m 时，MSE 值随不同尺度的变化规律基本保持一致，其值相差不大，且都大于离底高度等于0.20 m 时的MSE 值。同时，取样点位于离底（搅拌槽底部）0.16 m 处，理论上，靠近取样点，且越接近能量密度高的区域，其MSE值应更大。然而，空气射流的加入，使得离底高度分别为0.16 m，0.18 m 的MSE 值基本一致，从而可以看出空气射流方式能够对搅拌流域的能量分布有一个很好的补偿作用。空气射流不仅可以实现流场的耦合，还能改善搅拌槽内的能量密度分布状态，增加流体颗粒的流动无规律扰动能力，提高流体混合效率。(www.daowen.com)

图4.6　离底高度对MSE 的影响

（3）通气量对LLE 和MSE 的影响

如图4.7 所示表示不同偏心率下，空气射流量大小对LLE 的影响。从图中可知，LLE 随着偏心率的变化，呈先增加后减小的趋势，在偏心率等于0.6 时，达到最大。同时，当偏心率等于0.6 时，空气射流量等于1.8 m3/h 时的LLE 值最大，相比于其他射流量（2.0，1.6，1.4，1.2，1.0 m3/h），分别提高了25.2%，6.4%，7.9%，23.1%，64.5%。当空气射流量较小时（小于1.6 m3/h），具有较高转速的搅拌桨，在射流耦合刚柔搅拌体系中起主要的作用，射流空气对流体的混沌混合起到协同促进的作用。LLE 值表现出随着空气射流量的增加而增加的趋势。当空气射流量较大时，进入搅拌槽内的气体，具有较大动能，很大一部分直接溢出，发生“气泛”现象，造成了较多的能量损失。同时，较大能量的气流直接与六直叶圆盘刚柔组合桨发生接触，气泡在液相中的分散度降低，减少了气液接触面积，相间传质速率下降，降低了流体混合效率。

如图4.8 所示表示一定偏心率下空气射流量对MSE 的影响规律。从图中可知，不同空气射流量下，MSE 值随着尺度的增加，表现出一定程度的波动，表明系统自相似很小，混乱程度更大。在相同的尺度下，当空气射流量等于1.6 m3/h 时，大多数的MSE 值都大于其他条件下的MSE 值，表明该条件能量在槽内的分布更加均匀，更有利于流体的混沌混合。

图4.7　空气射流量对LLE 的影响

图4.8　空气射流量对MSE 的影响

（4）转速与偏心率对LLE 的影响

如图4.9 所示为不同偏心率下LLE 随转速的变化情况。在该研究体系中的LLE 值都大于零，表明体系都进入了混沌状态。随着转速的增加，LLE 呈先增加后减小的趋势。在转速小于60 r/min 时，LLE 值增加速率较小。当转速处为60～ 120 r/min 时，LLE 急剧增大，表明该转速阶段流体运动更加剧烈。当转速达到120 r/min 时，LLE 值达到最大。当转速大于120 r/min时，槽内流体的湍流流动剧烈，在湍流的边界层出现了高度规律和重复性的拟序结构（尾涡、柱状回流等）。然而，这些拟序结构的存在，降低了槽内流体能量的传递速率，影响气液两相间的传质性能，使得混沌混合减弱，从而降低了流体的混合效率。从图中还可知，偏心率等于0.6 和0.8 时，其LLE 值随转速的变化规律很相近。同时，偏心率等于0.6 时，其LLE 的最大值大于偏心率等于0.8 时的最大LLE 值。偏心率的最佳位置处于0.6 附近。同时，偏心率等于0.6 时，其最大LLE 值相比于其他偏心率（0.8，0.4，0.2，0）依次提高了6.5%，2.4%，17.6%，25.1%。为了更深入探索有无偏心空气射流对LLE 的影响规律，结果如图4.9中插图所示。当转速为40 r/min 时，体系进入混沌混合状态，其值为0.000 4，远低于有空气协同参与的情况，在低速阶段空气射流对体系的混沌混合状态具有很大的影响，能加快流体混合进入混沌状态，提高流体的混合效率。

图4.9　转速与偏心率对LLE 的影响