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自然界中存在着许多分形物体,分形的局部按照某种方式与整体相似,比如树枝的多级分枝网络,对不同大小的树木,其最小的树枝大小总是相似的。分形是自然中物质能量传递过程空间优化后得到的结构,将这种高效结构由自然引入到化学工程中,能够使物质输运设备或者反应容器中的传递反应过程得到强化。分形理论对于非线性过程与复杂体系的定量描述具有一定优势,其局部和整体上的相似性对化工过程中的放大设计具有指导意义。摆脱目前所采用的繁琐的逐级经验放大方法是化工过程的发展目标之一,分形理论为此提供了一种可能的方法。分形喷射器是一种具有分形结构的液相快速混合设备,也是分形概念在化工中的一种应用。液相快速反应体系广泛存在于在高分子化工、精细化工、制药生工等工业过程中,混合的效果直接影响着生产过程。分形喷射器能够通过多级分布的分形结构来改善整体的分布混合均匀性,避免层流混合导致的速度过慢与湍流混合带来的能耗过高的问题。本文探究一种具有三维空间分布的分形喷射器在液-液均相湍流操作条件下流体的混合与流动,重点对分形喷射器的分形迭代单元的设计原则进行讨论,探究分形喷射器整体流动混合特性,并讨论分形结构参数和构型对分形喷射器流动混合特性的影响,从而为分形喷射器的工业化设计与应用提供依据与支持。采用CFD模拟方法研究具有三维空间分布喷管的分形喷射设备的特征速度场,湍动能,涡量分布等信息,并通过粒子图像测速(PIV)实验对模拟得到的射流流场结果进行验证。利用混合模拟实验并结合激光诱导荧光实验(LIF)结果,定量化评估分形喷射设备的混合特性。论文的主要工作和获得的主要结论概括如下:(1)将分形单元内的流动简化为淹没平行多圆管喷射,并对其近场射流流场结构与混合特性开展了数值模拟研究与实验研究,主要分析了喷管数目,喷管间距与喷射雷诺数对流场特征结构的影响。研究结果表明,相比二维的平行双狭缝射流流场,淹没多圆管射流的流场中不会出现明显的速度滞点,可以划分为会聚区、合并区与联合区三个区域。比较双管、三管和四管喷射系统,发现在喷射雷诺数相同时,三管喷射所需要的射流流股间混合长度最短。这表明,三管喷射体系有更快的射流间混合速度和速度衰减速率。分析喷管间距的影响发现,淹没多圆管喷射的流场特征点位置主要取决于喷管间距,相较于二维平行双缝射流体系,三维情况下近场射流流场结构对喷管间距的变化更为敏感,喷管间距对流场特征点位置的影响可以用线性关系描述。(2)基于多圆管喷射系统的研究结果,可以确定分形迭代单元的尺寸,通过两次迭代获得完整的分形喷射器。对分形喷射器的水力学特性、涡结构分布开展数值模拟研究,分析分形维数对分形喷射器流动混合特性的影响。研究结果表明,相较喷口集中在同一平面的分形喷射器,具有三维分布的分形喷射器在总流量相同时能更快地实现全槽范围内的均匀混合。但更密集的分形喷管分布并不能保证更好的混合效果,在相同总流量下,喷管数目越多,意味着喷管网络结构更复杂,喷射雷诺数越小,这使得物质难以扩散、喷口附近的湍流程度减弱、混合速度下降。适当减小分形维数可以提高混合速度,改善微观混合效果,提高反应器内的体积利用率。(3)考虑到基于严格分形设计的喷射器(重叠式分形喷射器)的流场中存在射流撞击,动能耗散较大、流场呈现较明显的非均匀特性。对重叠式分形喷射器的构型进行调整,使得撞击射流流动变为错流流动,获得错列式分形喷射器。在保持总流量一致的情况下,探究这种在统计意义上具有分形特征的喷射器的流动混合特性,研究结果表明:将分形喷射器构型调整为错列式分形喷射器后,流场的均匀性得到改善,强湍流区域分布更为分散,流向涡和展向涡对称分布。但错列分形喷射器在提高流场均匀性的时候,需要牺牲一部分径向混合速度。径向扩散混合速度主要取决于喷管分布方式,调整分形维数可以改善径向扩散混合。相较重叠式分形喷射器,沿轴向的扩散混合速度提高。