【摘要】：基于ANSYS Workbench分析平臺,采用雙向流固耦合計算方法,對六彎葉槳(6BT)和錯位六彎葉槳(6PBT)攪拌性能進行了對比分析,根據(jù)槳葉與流體之間相互耦合運動特性,考察了槳葉的等效應(yīng)力和變形量的分布,探討了流場結(jié)構(gòu)對混合效率的影響。結(jié)果表明:速度矢量的計算值與PIV實驗值吻合較好,基于雙向流固耦合計算模型的數(shù)據(jù)結(jié)果可靠;同6BT槳相比,6PBT槳葉端部應(yīng)力提高了51%,根部應(yīng)力降低了22.2%,應(yīng)力分布更趨均勻化,可有效提高槳葉強度,增強能量傳遞,而總變形量與6BT槳基本相同;6PBT槳能夠產(chǎn)生不對稱流場結(jié)構(gòu),混合時間明顯降低,混合效率顯著提高,其中6PBT槳的單位體積混合能只有6BT槳48%,體現(xiàn)出錯位槳的優(yōu)越性,這可為攪拌器的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。
【圖文】：

的葉端速度Ｕｔｉｐ＝０．７ｍ／ｓ，雷諾數(shù)Ｒｅ＝２３３３９，此時流動為湍流狀態(tài)。攪拌軸與葉輪均采用結(jié)構(gòu)鋼，密度為７．８５×１０３ｋｇ／ｍ３，泊松比為０．３，彈性模量為２．０×１０１１Ｐａ，屈服強度為２．５×１０８Ｐａ。使用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中ＩＣＥＭ對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體單元進行離散，對于速度梯度較大的轉(zhuǎn)子區(qū)域，將網(wǎng)格進行加密處理，如圖２所示。為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，以轉(zhuǎn)子區(qū)的速度大小及攪拌器功率準數(shù)的改變量均不超過３％為依據(jù)，本文最終采用１１０６５００個左右的網(wǎng)格單元數(shù)對流體計算域進行離散。圖２攪拌槽計算網(wǎng)格示意２計算策略雙向流固耦合計算是一個復(fù)雜的非定常過程，在流體區(qū)域，選用ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的ＦｌｕｉｄＦｌｏｗ（Ｆｌｕｅｎｔ）模塊對流體運動進行計算，采用多重參考系法（ＭＲＦ）和κ－ε雙方程湍流模型，葉片與流體的接觸面設(shè)置為ｓｙｓｔｅｍ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ，槽內(nèi)壁面設(shè)置為ｄｅｆｏｒｍｉｎｇ，所有變量的收斂殘差均小于１×１０－４；在固體區(qū)域，通過ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模塊對攪拌器進行瞬態(tài)動力學分析，攪拌軸在徑向和軸向上固定約束，葉片面設(shè)置為ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ，兩個區(qū)域設(shè)置相同的時間步長０．００１ｓ。最后將兩個區(qū)域的模型一并導入ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的ｓｙｓｔｅｍ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ模塊中，將流體區(qū)域中的ｓｙｓｔｅｍ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ面與固體區(qū)域中的ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉ

的。根據(jù)已有的研究結(jié)果【１４】，將監(jiān)測點選在靠近液面處比較合適。為此，本文選擇監(jiān)測點位置坐標為（９５，０，１１５），在計算濃度場分布時，組分收斂殘差設(shè)定為１０－７，時間步長設(shè)置為１×１０－３ｓ。圖６六彎葉槳縱截面速度示意圖７錯位六彎葉槳縱截面速度示意攪拌器的混合速率時常用混合時間數(shù)Ｔｍ來表征，其表達式為：Ｔｍ＝Ｎ·ｔ９５（１）式中：Ｔｍ———常用混合時間數(shù)；Ｎ———轉(zhuǎn)速，ｒ／ｓ；ｔ９５———混合時間，ｓ。Ｔｍ數(shù)值越小，表明攪拌器的混合速率越高，當攪拌器轉(zhuǎn)速相同時，可用混合時間表征。圖８為攪拌槽內(nèi)示蹤劑的濃度對時間的響應(yīng)曲線。由圖８可知，對于六彎葉槳，ｔ９５＝２．７ｓ，而錯位槳的混合時間ｔ９５＝１．４ｓ，明顯小于六彎葉槳�？梢婂e位槳的混合速率更高。圖８示蹤劑濃度變化曲線利用單位體積混合能ＷＶ可表征混合效率，ＷＶ越小，混合效率越高。它的表達式為：ＷＶ＝ＰＶ·ｔ９５（２）ＰＶ＝２πＮＭ／Ｖ（３）·４８·石油化工設(shè)備技術(shù)２０１７年

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