搅拌混合在工业生产中往往是最必不可少的工序,常用于冶金、造纸、食品加工制药、生物等领域,其中艾萨炉、奥斯麦特炉、Hismelt炉等都涉及搅拌混合,聚合反应器85%是搅拌混合设备,还有制药发酵过程几乎全部是搅拌混合过程。搅拌混合的目的是为了降低物料体系内部的非均匀性,能尽快地达到混合均匀,进而促进反应的进行。因此,如何获得多相混合均匀性以及非均匀性的有效量化,进一步提高搅拌效率,对于搅拌反应器的设计优化以及节能降耗具有重要的意义。本文围绕搅拌槽内多相混合效果的评价,运用计算同调群、数字图像处理技术、混沌学以及统计学理论,对搅拌槽内多相混合效果的评价方法及应用开展了比较系统的研究,内容主要涉及多相混合的水动力学实验的设计、多相混合效果的贝蒂数评价方法及模型研究、多相混合效果的定性分析和定量分析以及该评价方法在Zn-SiO2复合电沉积中的应用研究。本论文对搅拌混合效果评价的基本理论进行了综述。借鉴甲烷和氧化锌在熔融盐中反应的多相流混合模型,确定多相混合水动力学实验的设计方案,搭建了包括高速摄像机、透明搅拌槽、转子流量计、喷枪、氮气瓶在内的顶吹气体搅拌混合水力学实验平台,目的在于阐述并提出一种简单的多相流混合效果贝蒂数评价新方法,该方法可以同时实现混合均匀性及非均匀性的有效量化。通过实验研究不同的顶吹喷枪流量Q以及喷枪浸入深度l对混合效果的影响,结果表明：0维贝蒂数β0(t)随着时间的演化趋势为先增大后平稳变化,其拐点处对应的混合时间即最短混合均匀时间；随着喷枪流量Q的不断增大,其最短混合均匀时间呈减小趋势,当流量Q增大到1000L/h以后,最短混合均匀时间出现轻微波动,且变化不大；随着喷枪浸入深度l以及喷枪流量Q的不断增加,0维贝蒂数的平均值即混合均匀性程度波动较大,而1维贝蒂数β1(t)变化较为平稳,但是在一些非正常混合情况下也会迅速的偏离平均值,说明这种混合非均匀性也会影响整个混合过程的混合效果；同时构建了多相流混合效果评价模型,得出了获得较佳混合效果所需的条件：0维贝蒂数的平均值足够大,1维贝蒂数的平均值、流量的大小和0维贝蒂数的振幅要足够小,并且最短混合时间足够小,模型计算结果表明：最佳的混合效果条件与所用模型包括大小、形状等均有密切关系。其次,对多相混合效果的定性特征进行了分析。研究了混合效果的统计学规律,通过计算不同搅拌条件下贝蒂数时间序列的柱状图,结果发现在所有的实验中其0维贝蒂数时间序列β0(t)和部分实验中的1维贝蒂数时间序列β1(t)近似符合正态分布；为了清晰的描述正态分布拟合的准确性,计算其累积分布函数图和概率分布图,根据曲线拟合的程度来判断混合效果的好坏。实验证明越好的混合效果其累积分布函数和概率分布函数中拟合曲线的拟合效果越好；计算1维贝蒂数时间序列的柱状图、累积分布图和概率分布图,也可以区分正常和非正常的混合效果。在这些正常混合效果之中,0维贝蒂数β0(t)和1维贝蒂数β1(t)在t>T后,它们的平均值平稳振荡,这表明混合均匀性是连续的,混合非均匀性变化平稳。然而,在部分非正常混合效果之中,1维贝蒂数时间序列不符合正态分布,其主要表现为累积分布和概率分布函数的拟合曲线相互背离,在1维贝蒂数时间序列中出现快速地偏离平均值的现象,这表明混合的非均匀性可以迅速地改变。为了进一步对多相混合效果的量化特征进行分析,引入0-1检验方法对0维和1维贝蒂数时间序列进行了混沌特征分析,结果发现经过足够长的混合时间之后,整个混合过程是混沌的,同时获得了不同混合效果的有效量化。尽管如此,不同的混沌状态对应于不同的0-1检验计算数值,该数值介于0-1之间,接近于1则代表系统是混沌状态,接近于0则代表系统是非混沌的,而本文0-1检验计算的所有贝蒂数序列均为接近于1,只是不同的混合工况接近于1的程度不相同；计算不同混合状况下贝蒂数序列的庞加莱截面图,计算结果为成片的密集点,说明该混合系统是混沌的,同时利用庞加莱截面图的特征还能有效地区分正常及非正常的混合效果；运用Rosenstein方法计算最大李雅普诺夫指数,计算得到的斜率为正的特征图说明充分混合之后的动力系统是混沌的。最后,本文选择Zn-SiO2复合电沉积体系,以及最常用的搅拌方式——电动桨叶式搅拌来研究电解液的流动特性。利用数字图像处理技术清晰地捕捉到电解液搅拌过程中微小颗粒的分布和团聚所形成的复杂图样：运用本文提出的多相混合效果贝蒂数评价方法及模型深入地研究了该体系复合电解液的流动混合效果,通过镀层性能分析进一步验证了该方法和模型的可行性及准确性,为深入认识和理解复合电沉积基本科学问题及其工艺优化设计提供了重要参考。
