1.引言

1.1课题研究背景

各种结构形式的机械和射流式搅拌槽广泛应用于环境工程、生物技术工程、石化工程以及化学工程等领域，以加强单相或多相流体的扩散、混合和反应。为了设计这样的系统以及为了有效控制相关的混合和反应，就需要认识和预测搅拌槽内的流场结构。过去几十年里，很多学者和研究人员对搅拌槽内流体的流动进行了大量的、不懈的试验研究、数值计算和理论分析，并取得了丰硕的成果。但是运用先进的试验设备和有效的分析方法对搅拌槽流场进行细致深入的分析和研究仍然十分必要。

搅拌和混合是具有不同含义的概念[1,2]。搅拌是通过搅拌器的旋转向槽内输入机械能，从而使流体获得适宜的流动场，并在流动场内进行动量、热量、和质量的传递或者化学反应[3,4]，例如射流就是一种搅拌过程，一种大尺度的旋涡运动的搅拌过程。而混合是指物相不同的两种或两种以上物料经过破碎和扩散两种过程而达到均匀分布[5,6]。搅拌的重点在于槽内的物料的运动方式以及激烈程度，以及这种状态对给定过程的适应性。混合的重点在于不同的物料达到均匀的程度。可以说搅拌是一种手段或者说是一种使物料均质化的过程，而混合是目的。

搅拌槽内的流体流动是非稳态的，即使是流体物性和转速等参数保持不变，槽内流体在相当大的时间和空间尺度上存在着流动型态的明显变化[7]。这种大尺度、低频流场脉动称为宏观不稳定(macro instability，MI)现象。搅拌槽内流场的时空不稳定性可能使操作偏离优化设计，从而降低混合、传质和传热效率，因此搅拌槽内宏观不稳定现象成为一个迫切需要研究的课题。

近年来一些研究者相继开展了槽内流体脉动现象的研究，他们尝试着用不同手段、从不同角度证实和量化 Ml 现象。在研究初期，多借助于肉眼观察、高速磁带录像仪(video tape recordnig，VTR)、显像记录机、“tuft”流场可视化方法以及激光多普勒测速仪和粒子成像测速仪等进行定性测量。搅拌槽内流型非常复杂，且随时间而变化。测速仪得到的速度值脉动非常剧烈，如果不借助适当的数据处理方法，很难从中提取有用的信息。因此相继出现频谱分析、小波分析等数据处理方法。其中频谱分析方法是研究宏观不稳定性 MI 强有力的分析工具。

本文为了更准确的定性宏观不稳定现象，首先分析了数字信号处理方法，认为功率谱估计是比较准确的分析方法。为了得到更精确的频谱分析结果，本文把功率谱估计与天然去噪工具的小波分析结合起来使用。小波分析已经应用于很多领域，特别是数字信号处理方面运用非常广泛。在本文中小波分析与功率谱估计组合法在处理含有噪声的压力信号得到了较好的效果[8,9,10]。

搅拌过程是外界通过各种方式向反应器内流体输入机械能，使流体获得适宜的流动场，在流动场内进行动量、热量、质量的传递或者同时进行化学反应的过程[11,12]。而宏观不稳定现象对混合、传热、传质、搅拌槽内流型变化以及机械设备都有很大的影响。目前对宏观不稳定现象研究的内容很多，但是还没有达到很好的理论体系，需要更多的研究者用不同的方法研究不稳定现象[13]。 

本文借助高精度压力传感器测量了搅拌槽内压力的脉动现象，并使用LabVIEW 软件对搅拌槽内流体脉动实现实时监测，数据采集及分析一体化。对采集到的实验数据用本文提出的功率谱小波包分析方法处理得到了较好的结果，且在频谱图中能明显的分辨出宏观不稳定的主频率，其频率值随着搅拌槽搅拌体系的不同条件而改变，这些规律及 MI 主频率值都接近文献提到的结果。与此同时本文又采用了小波时窗分析，分析得到的结论与功率谱小波包频谱分析结论相一致，说明两种方法是有效的。