汽水混合器的流动特性

间歇汽水混合器的流场主要分为剪切头内部及其附近的高剪切区和远离剪切头的低剪切环流区。无底部挡板条件下，容易在汽水混合器的转子区域形成空穴(Pseudo-Cavern)现象，空穴的形状和尺寸受雷诺数影响，随着雷诺数的升高，空穴变大;当高剪切头为偏心安装时，形成的空穴形状为不对称结构。定子的存在改变了转子外排流体的流动方式，使得外排流体通过定子底面开孔、侧面开孔和上端开孔排出。定子的加入使得流体在定转子剪切间隙和定子侧面开孔内受到较强的剪切作用，并产生较高的湍动能耗散水平，这有助于强化破碎和混合过程。定子射流发生于定子开孔的前边缘位置，开孔的后边缘形成明显的涡流;定子射流区射流的切向速度方向与孔径相关，宽孔切向速度方向与转子运动方向一致，窄孔与之相反，宽孔定子下射流延伸至主体区域，窄孔定子射流在定子附近区域耗散;当转子叶片与定子开孔不重叠时，定子开孔内具有最大的质量流率;当转子叶片靠近定子开孔的前边缘时，产生了最小的质量流率，然而定子射流区产生了最大的径向射流速度。定转子剪切间隙的改变，虽然对速度、剪切速率以及湍动能耗散率分布的影响较小，但随着定转子剪切间隙的减小，定转子剪切间隙内的剪切速率显著增大。随着转子倾角的增大，定子侧面射流区和定子孔内的速度、剪切速率以及湍动能耗散率显著增加，定子底面开孔内的回流量也明显增加。随着定子底面开孔面积的增大，定子侧面射流区和速度、剪切速率以及湍动能耗散率逐渐减小，而定子底面射流区和速度、剪切速率以及湍动能耗散率显著增大。定子底面射流强度的增加有效增强了搅拌槽内主体流动强度，有利于分散相充分悬浮和分散。

由于连续高剪切反应器反应体积小、剪切间隙小、转子高速转动，其内部的流动为非常复杂的湍流。对于叶片网孔型剪切头，混合器内速度与能量耗散率分布相似，叶片扫过前端形成强烈的射流和能量耗散，且定子与转子之间也存在较大的能量耗散，这些区域有利于流体的分散和混合。对于定转子齿合型汽水混合器，定子槽内出现局部环流，槽出口出现高速射流;混合器内存在返混，即流出剪切头的流体会被重新卷吸进入剪切问隙中;流体在远离定转子区域时的速度远远小于定转子区域，且存在局部滞流;流体流动在定转子区域和定子射流区等高能量耗散区域具有明显的各向异性。对于剪切变稀的流体，在层流状态下，定转子间隙内的流体速度值高于牛顿流体在相同位置的速度值，最外圈定子槽喷射的流体速度更大，但在定子壁面附近及腔室内存在较大面积的死区;随剪切间隙宽度的增加，最外圈定子槽喷出的速度大大降低。高剪切速率值出现在剪切间隙与转子齿附近，而远离剪切头的剪切速率很低，这种现象在非牛顿流体中表现更明显。在湍流状态下，非牛顿流体下最外层定子槽喷出的流体速度更高，形成更强的卷吸现象;随转子齿顶到定子齿底的间距增加，牛顿流体下的高剪切速率的区域面积变化不大，而幂率下的非牛顿流体的高剪切速率区域明显减小。