材料特性對(duì)行星式離心混合器混合性能影響

針對(duì)行星式離心混合器( PCM) 的使用中存在材料特性與混合性能之間關(guān)系難以確定的問題，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)( CFD) 模擬研究了流體黏度與密度對(duì) PCM 混合性能的影響。首先，采用 ICEM CFD 對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了建模并劃分了網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性分析; 然后，采用二階有限體積法與離散相模型對(duì) PCM 混合不同黏度與密度流體時(shí)的質(zhì)點(diǎn)軌跡、低速區(qū)域以及離散粒子分布進(jìn)行了求解，通過定義的混合指數(shù)對(duì)混合效果進(jìn)行了定量表征; 最后，分析了流體黏度與密度對(duì) PCM 混合性能的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明: 流體黏度與密度主要通過影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)使 PCM 的混合效果發(fā)生變化; 流體黏度越大對(duì)應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速比越大，能達(dá)到的最大混合指數(shù)值越小; 流體密度越大對(duì)應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速比越小，能達(dá)到的最大混合指數(shù)值越大.

行星式離心混合器( PCM) 是一種能對(duì)物料進(jìn)行高效混合的新型無葉片式攪拌設(shè)備。相較于傳統(tǒng)混合設(shè)備，PCM 利用公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的螺旋渦流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合，避免了材料的污染與浪費(fèi)，因此，被廣泛應(yīng)用于生物制藥、電子電路和高分子科學(xué)等領(lǐng)域中的液 － 液、固液和粉末 － 粉末混合。

然而，在 PCM 的實(shí)際使用中，由于沒有根據(jù)材料特性來確定混合參數(shù)，致使材料的混合效果差，甚至出現(xiàn)分層現(xiàn)象。為改善混合質(zhì)量，JIＲAWAT I 等人 以均質(zhì)度為指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)研究了 PCM 制備磷酸鈣水泥過程中，粉末 － 粉末以及固液混合所需的最佳轉(zhuǎn)速范圍與混合時(shí)間; 但是該研究忽略了轉(zhuǎn)速比對(duì)混合效果的影響。MIYAZAKI Y 等人通過設(shè)置多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，研究了PCM 轉(zhuǎn)速值、藥物填充量與混合均勻度的關(guān)系，得到了最佳混合參數(shù)范圍; 然而，該實(shí)驗(yàn)研究需耗費(fèi)大量材料，且可調(diào)節(jié)參數(shù)有限，研究人員無法得到混合過程中各點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)值。

為深入分析 PCM 的混合機(jī)理，NACEＲA C 等人通過計(jì) 算 流 體 動(dòng) 力 學(xué) ( computational fluid dynamics，CFD) 模擬研究了 PCM 在雷諾數(shù)為 125 條件下混合流體時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)現(xiàn) PCM 內(nèi)的流場(chǎng)通常是螺旋形的渦流結(jié)構(gòu)，且渦流的大小和形狀取決于轉(zhuǎn)速比;然而，該研究只計(jì)算了轉(zhuǎn)速比小于 1 時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，缺乏全面性。YAMAGATA T 等人 通過粒子圖像測(cè)速法與 CFD 模擬研究了混合參數(shù)對(duì) PCM 混合硅油效果的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速比大于 0． 5 后，流場(chǎng)內(nèi)低速區(qū)域的擴(kuò)展使得混合效果下降; 然而，由于試驗(yàn)平臺(tái)的限制，研究者只對(duì)低轉(zhuǎn)速情況下的混合效果進(jìn)行了研究。SON K J 用離散單元法研究了 PCM 工作條件對(duì)黏性粉末 Avicel PH 101 混合效果的影響，通過計(jì)算不同公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速比從 0 ～ 1 時(shí)的混合指數(shù)與混合時(shí)間，得到了最優(yōu)工作參數(shù); 但是該研究缺少對(duì)轉(zhuǎn)速比與混合效果之間影響機(jī)理的探討。

綜上所述，現(xiàn)有研究基本都以某一種材料為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值仿真得到 PCM 混合該材料的最佳參數(shù)，忽略材料特性對(duì) PCM 混合性能的影響。當(dāng)材料特性發(fā)生變化時(shí)，研究人員需要進(jìn)行重復(fù)研究得到最優(yōu)混合參數(shù)，從而造成人力物力的耗費(fèi)。