葛春艳 王嘉骏 顾雪萍 冯连芳

    (浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州 310027)

    目前，对于搅拌反应器的选型和设计主要依靠一些经验手段，尚未形成完整的理论体系。随着计算机技术的发展，计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)广泛应用于搅拌混合的研究，一旦CFD 方法能够成功模拟出搅拌槽内的三维流场，即可方便地获得流场随搅拌叶轮和搅拌槽的构型、尺寸和操作条件的变化，为反应器的设计和优化建立可靠的放大准则。但是，CFD 模型准确性尚不可靠，而激光粒子图像速度场仪PIV(Particle Image Velocimetry)测量技术可以准确的获得搅拌槽中丰富的信息，如 ：时均或瞬时速度、动能耗散速率、剪切速率等，并可进一步得到宏观特性参数，可以验证CFD 模型的仿真结果和提供模型边界条件。因此，PIV 和CFD 相结合的研究方法对搅拌混合设备的放大和优化研究具有重要的理论意义和应用价值。

    1 PIV 测量技术

    测量搅拌设备内物料形成的流场是对搅拌流动本质认识的最基本和最关键的一步。早期流速测量方法有皮托管、电磁流速法、压电探头和热线或热膜风速仪等，但插入流场中的探头对流型产生影响，目前已很少使用。随着激光技术的发展，激光多普勒测速仪LDV(Laser Doppler Velocimetry) 和PIV 是 在20 世纪80 年代才发展起来非接触流场测量新技术。LDV 可以测量某一测点的时均速度，但不能获得瞬时速度值，且只能单点测量，实验工作量大。PIV 技术突破了单点测量的缺点，综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，既具备单测量技术的精度和分辨率，又具备平面流场显示的整体结构和瞬态图像。其原理是在液体内放入一定量的与液体密度相同的示踪粒子(确保其跟随性良好)，在由一狭缝激光束照射，两个脉冲激光源形成的偏光源照射下，由高分辨率的摄像机拍得两次曝光图像，接着从曝光时间内粒子的位移计算出速度场。

    搅拌槽中存在三种类型的运动：平均流场(全局流动)，周期性波动(尾涡轨迹)，瞬时脉动(能量耗散)，均可通过PIV 手段测量。PIV 测量技术可以提供瞬态和时均速度场，为分析反应器内的流体流动提供可靠的信息。随着显示测量和处理技术的发展，PIV方法能够通过直接测量的方法计算槽内的湍流动能耗散速率(turbulent energy dissipation，ε)[1]。由于湍流流动耗散发生在非常小的Kolomogorov 尺度，现有的PIV 测量技术很难达到如此高的分辨度 ......