Stirred mixing is one of the important unit operations in the chemical, petroleum, pharmaceutical and food industries. The mixing of liquids is achieved by a rotating shear flow field formed by a periodic jet flow from the impeller. In this work, we investigated the flow structure in a square stirred tank without baffles and with a Rushton impeller (RT) using particle image velocimetry (PIV) technique. The instantaneous flow fields were obtained as a function of various rotations per minute (rpm) for the impeller (N=120, 150, 180, 210 and 240 rpm), while phase-resolved velocity information was obtained for N=150 rpm. The proper orthogonal decomposition (POD) and dynamic mode decomposition (DMD) methods were applied to analyze the velocity fields, flow structure and dynamic information in the absence of impeller area. As demonstrated by the results, there is a wide range of spatial and temporal scales throughout the process. The high energy parts exist in two kinds of structures except for the average fluid flow. The instability phenomenon results from the cyclic shear flow and the trailing vortices structure caused by the periodic jet near the blade passage frequency. As the Reynolds number is on the rise, the periodic flow increases, the random turbulence is reduced, and the flow tends to the ultimate stable state. The square section acts like baffles to change the direction of the fluid circumferential velocity while increasing the radial and tangential flow, which is conducive to mixing. This study provides a basis for understanding the flow structure and unsteady characteristics in a square stirred mixing tank.

中文翻译：

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基于模态分解的方形搅拌罐流动结构和动力学的PIV实验研究

搅拌混合是化工、石油、制药和食品工业中重要的单元操作之一。液体的混合是通过来自叶轮的周期性射流形成的旋转剪切流场来实现的。在这项工作中，我们使用粒子图像测速 (PIV) 技术研究了没有挡板和 Rushton 叶轮 (RT) 的方形搅拌罐中的流动结构。瞬时流场作为叶轮每分钟转数 (rpm) 的函数获得（N=120、150、180、210 和 240 rpm），而相位分辨速度信息是在 N=150 rpm 时获得的。应用适当的正交分解（POD）和动态模式分解（DMD）方法来分析没有叶轮区域的速度场、流动结构和动态信息。结果表明，在整个过程中有广泛的空间和时间尺度。除平均流体流动外，高能部分存在于两种结构中。不稳定现象是由循环剪切流和叶片通过频率附近周期性射流引起的尾涡结构引起的。随着雷诺数的增加，周期性流动增加，随机湍流减少，流动趋于最终稳定状态。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。除平均流体流动外，高能部分存在于两种结构中。不稳定现象是由循环剪切流和叶片通过频率附近周期性射流引起的尾涡结构引起的。随着雷诺数的增加，周期性流动增加，随机湍流减少，流动趋于最终稳定状态。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。除平均流体流动外，高能部分存在于两种结构中。不稳定现象是由循环剪切流和叶片通过频率附近周期性射流引起的尾涡结构引起的。随着雷诺数的增加，周期性流动增加，随机湍流减少，流动趋于最终稳定状态。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。不稳定现象是由循环剪切流和叶片通过频率附近周期性射流引起的尾涡结构引起的。随着雷诺数的增加，周期性流动增加，随机湍流减少，流动趋于最终稳定状态。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。不稳定现象是由循环剪切流和叶片通过频率附近周期性射流引起的尾涡结构引起的。随着雷诺数的增加，周期性流动增加，随机湍流减少，流动趋于最终稳定状态。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。方形截面起到挡板的作用，改变流体圆周速度的方向，同时增加径向和切向流动，有利于混合。该研究为了解方形搅拌混合槽内的流动结构和非定常特性提供了依据。