孔射流喷射反应器内液体快速混合过程的实验研究和数值模拟

本项目以具有快速混合时间（毫秒级甚至更快）的孔射流喷射反应器为研究对象，采用超高速的无干扰流场测试技术和高精度的大涡模拟方法来研究混合过程的机理。具有高时空分辨率（时间尺度可以达到1毫秒甚至更低）的流场测试技术一方面可以对整个混合区域的流场分布进行测量，揭示混合过程的影响因素，另一方面可以观测混合区域的涡变化过程，揭示湍流混合的微观机理。高精度的大涡模拟方法在接近Kolmogoroff尺度（～几十微米）上研究孔射流喷射混合过程的本质规律。实验结果与数值模拟结果相互印证，项目预期建立超高时空分辨率下的无干扰流场测试方法，以及高精度下的大涡模拟方法。研究成果对于研究快速混合过程的机理、建立过程研究的方法具有重要的意义，同时可以为孔射流喷射反应器的设计、结构优化、工程放大提供科学依据。

本项目利用流场测试技术和计算流体力学方法，对多孔错流喷射混合过程的影响因素、混合过程的特性、放大规律及放大方法等进行了系统研究。此外，项目还对孔射流喷射反应器应用于共沉淀法可控制备微纳材料进行了探索。项目的主要研究成果和结论如下：. （1）项目首先建立了超高速无干扰流场测试技术－激光诱导荧光技术（LIF），通过相机和激光器的合理匹配、系统调试，流场测量的空间分辨率最小为30微米，捕获的瞬态浓度场分布的时间尺度最快达到50微秒，并建立了LIF的在线标定方法，为研究快速混合过程建立了科学的实验方法。（2）对现有评价混合过程的指标进行了改进，建立了系统的混合过程评价指标体系，主要包括离析度、90％混合时间、离析尺度和离析指数等，其中创新性地提出了离析尺度和离析指数的概念，为混合过程的尺度变化定量评价提供了科学的方法。（3）采用实验手段和数值模拟方法，系统地研究了多孔错流射流混合过程中，混合设备的结构参数、流体的流动参数等对混合过程的影响规律，通过对射流轨迹线（迹线）的分析，提出了新的数学模型，同时建立了无因次混合距离（时间）的数学模型，为多孔喷射混合过程的设计、结构优化和工业放大提供了科学的指导依据。（4）建立了基于时均Navier-Stocks方程的数值模拟方法，考察了模型参数对模拟结果的影响，利用建立的数值模拟方法研究了多孔错流喷射混合过程的放大规律，提出了多孔错流喷射混合过程放大的新方法。（5）在更高精度下建立孔射流喷射混合过程的大涡模拟方法，从更深层次揭示了混合过程的微观混合机理。（6）利用喷射共沉淀法可控制备了微纳尺度、粒径分布均一的吡啶硫酮铜颗粒材料，优化了制备过程的工艺条件。. 项目共申请2项发明专利，其中1项已授权。共发表学术论文（标注）7篇，其中SCI收录4篇、EI 收录4篇；培养研究生5名、本科生6名；1人次出国访问学者研究。