图5.38　搅拌装置示意图

（1）搅拌装置及实验物系

实验所用搅拌装置如图5.38 所示。搅拌槽为内径T=0.48 m 的透明平底圆柱形有机玻璃槽，搅拌槽内部均匀分布着4 块宽度为0.048 m（T/10），厚度为0.009 m 的挡板。液位H =0.80 m，底层桨叶位置高度为0. 16 m（T/3），上下层桨叶之间的距离T =0.48 m。搅拌槽底部环形气体分布器的直径为0.195 m，安装位置与搅拌槽底部间的距离为0.08 m（T/6）。环形气体分布器上开有20 个分布对称、朝向向下的出气小孔，每个小孔直径为0.004 m。气液分散实验中的液相为自来水，其密度为1 000 kg/m3，黏度为1 mPa·s；气相为空气，其密度为1.293 kg/m3。

（2）实验桨型

实验所用搅拌桨为双层桨，分别为双层六直叶-六斜叶涡轮刚性桨（Dual rigid RT impellerrigid six-bladed pitched blade disc turbine impeller，DR-RT-PBDT），双层六直叶-六斜叶涡轮刚柔组合桨（Dual rigid-flexible RT impeller-rigid-flexible six-bladed pitched blade disc turbine impeller，DRF-RT-PBDT），六直叶-六斜叶涡轮穿流刚柔组合桨（Dual punched rigid-flexible RT impeller-punched rigid-flexible six-bladed pitched blade disc turbine impeller，DPRF-RT-PBDT）。如图5.39 所示，刚柔组合桨和穿流刚柔组合桨的柔性部分材质为硅橡胶。实验所用3 种桨型的尺寸相同，涡轮搅拌桨直径D 为0. 26 m，桨叶叶片长度为0. 05m、宽度为0. 04 m、厚度为0.002 m。

图5.39　实验桨型示意图

（3）实验方法

1）局部气含率测量方法

实验过程中采用双电导电极探针（BVW-2，中国科学院过程工程研究所生产）对搅拌槽内径向位置r/R=0.75，轴向位置Z/T 为0.208，0.417，0.625，0.833，1.04，1.25，1.46 和1.67 处的局部气含率进行测量。其测量原理是根据气液两相间电导率的差异。探针的测试部分是由两根直径为0.2 mm 的不锈钢针头组成，两针头间的距离为0.34 mm，如图5.40 所示。当气泡被探针尖端刺破时，测试电路打开输出高电压信号；相反，探针处于液相时，测试电路关闭输出低电压信号。经检波、放大、电平调整、转换等电路后形成如图5.41 所示的电压信号并由计算机采集。

局部气含率ϕ 定义为气相所占的体积分数。局部气含率ϕ 可由式（5.14）所示的平均时间间隔计算为

式中，t1i为第i 个气泡经过探针1 的时间；t2i为第i 个气泡经过探针2 的时间；n 为气泡的采样数量；t 为总采样时间。

实验中电导探针采集数据频率为10 kHz，每组实验共采集不少于500 个气泡。

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图5.40　电导探针结构示意图

图5.41　电导探针信号

2）气泡尺寸测量方法

气泡弦长lb 为电导探针刺破气泡过程中所通过的距离，两探针间垂直距离l =0.34 mm，由图5.41 可知，气泡的上升速度vb 为

气泡弦长lb 为

式中，Δt=t2i -t1i为气泡通过探针2 和1 之间的延迟时间。

将测量的气泡弦长分为F 组，气泡在i 组的特征弦长为di，测量的气泡个数ni，则气泡在该测量点的Sauter 平均气泡尺寸d32为

3）搅拌功耗测量方法

搅拌功率是气液分散过程中的一个重要参数。常用相对功率消耗（RPD）来表示通气前后搅拌功率的变化情况。RPD =Pg/P0（P0 为通气前的搅拌功耗，Pg 为通气后的搅拌功耗），其值越接近1，表示通气前后的搅拌功率相差越小，越有利于气液分散过程。如前所述，实验过程中采用扭矩传感器测量搅拌过程中的扭矩M，采用激光测速仪测量搅拌转速N，计算搅拌功率P。

4）最大Lyapunov 指数

本节通过LabVLEW 采集气液分散过程中的压力脉动信号，并利用Matlab 计算获取气液分散体系的最大Lyapunov 指数，表征气液分散体系的混沌特性。