搅拌设备使用历史悠久, 大量应用于化工、医药、食品、环保处理等行业中[1]。国内外关于搅拌器的流场研究已经有很多的文献。毕学工等[2]使用Fluent对搅拌工艺过程进行数值模拟, 研究桨叶长度、搅拌头插入深度及转速对搅拌效果的影响。张锁龙等[3]对轴流桨及45°三叶折叶桨搅拌流场、功率的测试进行了对比及分析, 得到了桨叶安装高度对桨叶性能的影响。侯权等[4]对搅拌反应罐流场的各影响因素 (如桨间距等) 进行分析和研究, 提出了搅拌反应罐内部结构的改进方向和措施。本文基于ANSYS Workbench 13.0 对新型搅拌器进行流固耦合数值模拟, 为搅拌器的结构优化提供了参数及有效的分析方法。
1 理论基础
假设:搅拌槽内流体为稳定流动, 忽略周期湍流。计算遵循以下定律[5]:
(2) 动量方程:
式中 ρ 表示流体密度, μ 表示流体速度, P表示流体静压力, ρgi表示重力体积力, Fi表示外部作用力所产生的体力, 同时还可以包括其它模型源项或用户自定义源项, τij表示粘性应力张量。
(3) 能量方程:
其中方程右边前三项分别为导热项、组分扩散项和粘性耗散项;Sh包括了化学反应热和其他体积热源的源项, Keff表示有效导热系数, J'表示组分J'的扩散通量, T表示流体温度, E表示总能。
2 数值模拟
2.1 几何模型
新型搅拌器:新型搅拌器是基于六斜叶搅拌器的基础上改进的。是将矩形叶片改为T型叶片, 因此成为六T型搅拌器。搅拌器直径为200mm, 搅拌器桨叶T型处的宽度分别为40mm和20mm, 桨叶的倾斜角度为45°, 桨叶的厚度为4mm。
六斜叶搅拌器:依据HG/T3796-2005 选取搅拌器直径为200mm, 搅拌器桨叶的宽度为40mm, 桨叶的倾斜角度为45°, 桨叶的厚度为4mm。
六直叶搅拌器:依据HG/T3796-2005 选取搅拌器直径为200mm, 搅拌器桨叶的宽度为40mm, 桨叶的厚度为4mm。
设置搅拌轴直径为30mm, 搅拌罐直径为600mm, 搅拌角速度为5rad/s
2.2 网格划分
采用ANSYS Workbench 13.0 中自带的方法Mesh进行网格划分。对于模型的处理是把搅拌器附近区域设为搅拌桨区, 把搅拌罐中其他区域设为搅拌桨外区。搅拌桨区设置为直径为220mm, 高50mm的柱形区域;搅拌桨外区设置为直径为600mm, 高600mm的柱形区域。
3 搅拌器三维流场分析
3.1 搅拌罐内水流速度分布
通过Fluid Flow对三种形式的搅拌器进行三维流场分析, 液流的高速区主要集中在搅拌桨叶附近, 以及在搅拌区的上下形成的带状区域, 搅拌罐的壁面处流速较低搅拌效果不好。新型搅拌器较六斜叶、六直叶搅拌器的混合效果较好, 流速分布均匀。
在搅拌器中间截面上液流的高速区主要集中在搅拌桨叶附近, 流速从桨叶处的最大渐变到搅拌罐壁面处零。
3.2 沿轴方向流速变化
通过FLUENT对三种搅拌器分别进行流场分析, 取平行于搅拌轴, 且与搅拌轴的距离为0.15m处直线上的流体速度变化。
从图1中可以看出, 三种搅拌器在相同的转速下, 新型搅拌器 (T型叶) 在0.15m处的流速比六斜叶搅拌器和六直叶搅拌器的流速高, 因此其搅拌混合性能好。
4 新型搅拌器结构分析
将FLUENT中计算的新型搅拌器的结果导入Static Structural中进行结构分析, 计算搅拌器上的应力和变形。
搅拌器在全速航行工况时, 搅拌器的最大应力出现在叶根处, 最大应力值为0.063038MPa。搅拌器的最大位移出现在叶尖处, 最大位移量为0.00044013mm。这个位移量相当于搅拌器几何尺寸是微小量, 故本文中未考虑水动力和重力引起的桨叶变形对搅拌器的水动力性能的影响。
5 新型搅拌器模态分析
新型搅拌器静态模态固有频率与预应力模态固有频率在数值上相差不大, 说明流固耦合场对搅拌器固有频率影响较小。
新型搅拌器在预应力下进行前6 阶模态分析, 当频率为57.418Hz时, 将发生二阶共振二阶共振主要形式为挥舞振动, 振幅最大处向叶尖转移;当频率为304.10Hz时, 出现三阶共振, 三阶共振主要形式为摆振, 叶片尖部振幅较大。
6 结语
(1) 通过新型搅拌器 (T型叶) 与六斜叶搅拌器、六直叶搅拌器的搅拌性能的对比得出新型搅拌器的搅拌性能比六斜叶、六直叶搅拌器的搅拌性能好。
(2) 基于Workbench13.0 对新型搅拌器进行流固耦合数值分析得出最大应力、最大应变都发生在搅拌器叶片的叶根处, 最大应力为0.063038MPa, 最大变形量发生在搅拌器叶尖处, 最大变形量为0.00044013mm。
(3) 基于Modal对新型搅拌器进行了预应力下的模态分析得到了其前6 阶的固有频率, 当搅拌器叶片的频率为57.418Hz时发生二阶共振, 主要形式为挥舞振动, 振幅最大处向叶尖转移;当其频率为304.10Hz时出现三阶共振, 主要形式为摆振, 叶片尖部振幅较大。
(4) 对结果进行分析, 得出搅拌桨叶片的受力分布形态和规律, 为进一步研究疲劳寿命、断裂分析和叶片的结构优化设计提供依据和参考。
参考文献
[1] 毕学工, 岳锐等.基于Fluent的搅拌模研究[J].武汉科技大学学报, 2012.
[2] 张锁龙, 沈惠平等.JH型轴流式搅拌桨流场分析及设计[J].化学工程, 1999, 27 (5) :26-29.
[3] 侯权, 潘红良, 冯巧波.基于Fluent的搅拌反应罐流场的优化研究[J].机械设计与研究, 2005, 21 (03) :78-83.
[4] 张驰宇, 尹侠等.双层圆盘涡轮式搅拌器的CFX流场模拟[J].南京工业大学学报, 2012.