搅拌在冶金、化工和材料加工单元操作过程中起着重要的作用。加强物料搅拌能增加多相流体在流动过程中的湍流程度,从而缩短均匀混合时间和反应时间,对于高温过程,搅拌还有强化传热传质的作用。但外加机械搅拌的反应器最大的问题是对机械密封要求较高、不利于大幅提高温度和压力。考虑到现有流体机械能回收技术,本论文提出了利用高压流体自身的压力能来驱动叶轮旋转,实现流体的自我搅拌的新思路。根据这一新思路,本文设计并开发了 0203×954 mm的新型压力能驱动的自搅拌反应器装置,实现管式反应器依靠流体自身压力能进行搅拌的目的。论文采用物理模拟和数值模拟的方法,结合PIV和高速照相等现代技术手段,围绕自搅拌反应器的停留时间分布和返混特性、自搅拌转速大小、自搅拌反应器的启动能及自搅拌反应器内的流动特性等问题进行了深入研究。主要研究结果如下:(1)采用刺激-响应技术,利用脉冲示踪法测量了流体入口压力(1.5,2,2.5,3 MPa)、液位高度(5/6D,4/6D,3/6D,2/6D,1/6D)和流体黏度(1.0,8.26,16.9,21.8,33 mPa·s)对自搅拌反应器的停留时间分布特性影响规律,计算了相应条件下的平均停留时间,并据此分析了自搅拌反应器的返混特性。结果表明:升高液位高度和增大流体入口压力,可缩短平均停留时间;在不同的液位高度下,流体黏度为1.0mPa·s时平均停留时间最长,其中液位高度为5/6D时的最长平均停留时间为314.7 s。不同条件下停留时间分布曲线的方差均在σ<0.4,说明自搅拌反应器内的流动更趋近于平推流。(2)利用高速照相技术测定了不同条件下自搅拌反应器达到的搅拌转速。液位高度为1/6 D时,搅拌转速受流体黏度变化影响最大;液位高度为2/6～5/6D,流体黏度大于1.0 mPa·s时的搅拌转速变化幅度较小;搅拌转速在液位高度为2/6 D时达到最小值,其中流体入口压力为0.5MPa,黏度为1.0mPa·s时的搅拌转速仅为2.3r/min。综合来看,搅拌转速随液位高度的升高呈“U”字型变化趋势,根据操作条件和流体物理性质的不同,最小搅拌转速出现在H2=2/6 D或H3=3/6 D处。(3)根据因次分析的原理,推导了自搅拌反应器达到一定转速时需输入的最小能量与各因素之间的关系,建立了单位时间的输入能量即输入功率,与各因素之间的准数方程:N= Kμ3-x2D-1-x1+2X2ρ-2+x2Hx1Rx2,在本文实验研究范围内求解上述准数方程相关系数,并对其进行修正,得到输入功率N= 4.6407 × 105 μ0 7492 D4.1546 ρ0 2507 H-0.6531 R2.2507,经验证理论计算值与实验结果基本吻合。(4)采用 ANYSYS Workbench 15.0和ICEM 15.0作为前处理器,FLUENT 15.0为求解器,TECPLOT3602011对计算结果进行可视化处理,得到了不同条件下自搅拌反应器内的速度场分布,压力场分布及湍动能分布。增大入口流体压力或降低液位高度使自搅拌反应器内流速增大,不同操作条件下反应器内均有小涡流存在,搅拌轴附近及桨叶之间流速偏低,最低流速约为0.05 m/s;自搅拌反应器内压力分布较均匀,由壁面至中心压力逐渐减小。入口处和桨叶附近压力最大,降低入口流体压力和升高液位高度则自搅拌反应器内的压力降低;框式柔性搅拌桨的搅拌作用提高了流体的湍动程度,液位高度增加也使湍流程度加剧,而在不同入口压力条件下,自搅拌反应器内的湍动程度相差不大。(5)采用PIV技术对自搅拌反应器内的流动场进行了测量。同时,采用高速照相机拍摄了自搅拌反应器运行时的流动图像。结果表明,在反应器不同位置有小涡流存在,这与数值计算的结果吻合,证实了数值计算选用模型是正确的。同时也发现当反应器没有充满液体时,在搅拌作用下会有气泡产生。