柔性桨流场特性的流固耦合数值模拟和实验研究
发布时间：2020-09-12 13:25
机械搅拌反应器应用广泛,在化工、医药等行业中发挥着十分重要的作用。搅拌桨是机械搅拌反应器的重要部件,传统搅拌桨多以刚性材料制成,如碳钢、结构钢等,这种刚性桨在对流体做功时,存在剪切力较大、能量传递效率较低等问题。本课题以搅拌桨叶材质为出发点,借鉴仿生学,在传统六直叶圆盘涡轮搅拌桨(Rushton)的基础上,采用柔性桨叶替代刚性桨叶的方式,获得柔性叶片Rushton搅拌桨。通过CFD数值模拟和实验测试,对比分析两种桨的功耗、桨叶应力及变形、流场特性等,对柔性叶片Rushton搅拌桨的工作特性进行了研究。首先对搅拌反应器的结构形式进行了确定,选用实验室尺度的搅拌容器,按照设计手册的比例关系,确定搅拌桨的结构尺寸。柔性材料的选择是后续研究工作能顺利开展的关键,通过分析刚性桨材料的弹性模量,选取了四种不同的材料作为桨叶。通过流固耦合分析,发现橡胶材质的桨叶能产生合适的桨叶变形、适应性较好,故确定橡胶作为柔性桨叶。通过数值模拟和实验测试,对两种桨的功耗和桨叶应力及变形进行了分析研究。结果表明,当Re≤100时,即层流区和过渡区的起始阶段,柔性桨的功率准数大于刚性桨,柔性桨功耗较大;当Re100时,即过渡区阶段,柔性桨的功率准数小于刚性桨,柔性桨功耗较小,最小处功耗降低了 17.2%;当Re≥10000时,两种桨的功率准数不再随雷诺数增加而改变。采用CFD双向流固耦合技术和PIV流场测试技术,对两种桨在低黏度介质水、高黏度介质甘油中工作所获得的稳态流场特性(速度场、湍动能及湍流耗散率、尾涡等)进行了研究。结果表明,在低黏度搅拌介质,柔性桨的流场最大速度降低了 8.94%,但桨叶远端的轴向速度和径向速度有所提升,在高黏度搅拌介质,柔性桨的流场最大速度提升了 5.4%,对搅拌槽整体速度都有提升。在湍动能及湍流耗散率方面,柔性桨在低黏度流体中湍动能较小且耗散率较小,而在高黏度流体中湍动能较大,相比于刚性桨提高了 26.7%,但柔性桨在桨叶附近的湍流耗散率较大。柔性桨产生的涡量较小,并且其在低黏度介质中结构更加明显。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ021
【部分图文】：
逦（ｃ）邋ＲＡＦ逦（ｄ）邋ＣＢＹ逡逑图１．２轴向流搅拌桨逡逑搅拌桨还可以以其他方式进行分类，如按照搅拌桨结构形式可分为平叶、折逡逑叶和螺旋叶片。其中平叶和折叶结构包括桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶，螺逡逑旋叶片包括推进式、螺杆式和螺带式的桨叶。按搅拌的用途可分为：低黏流体介逡逑质用搅拌桨和高黏流体介质用搅拌桨。桨式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯逡逑式、推进式、长薄叶螺旋桨、开启涡轮式、圆盘涡轮式、ＭＩＧ式和改进ＭＩＧ等逡逑为低黏流体介质搅拌桨；螺旋桨式、锚式、锯齿圆盘式、框式、螺带式（单螺带、逡逑双螺带）、螺旋－螺带式等为高黏流体介质搅拌桨。逡逑随着科学技术的进步，新型搅拌桨也会不断涌现，新型桨的研制将会出现以逡逑下转变：搅拌桨的设计由传统经验型设计向理论分析设计转变；新型桨的性能分逡逑析由宏观研宄向微观分析转变；桨叶的结构由传统单调型向组合优化型转变；以逡逑及更多新型技术的应用［２０］。逡逑徐峰介绍了轴流式搅拌桨在国内外的研宄现状和轴流式搅拌桨的特点、新逡逑型轴流桨的开发情况以及搅拌槽内数值模拟、流场测量显示技术。胡长鹰Ｉ２２】讨论逡逑３逡逑
逦（ｃ）邋ＣＤ－６逦（ｄ）邋ＢＴ－６逡逑图１．１径向流搅拌桨逡逑轴向流，流体被桨叶推动平行于搅拌轴向下流动，受到容器底面作用上翻，逡逑最终形成上下循环流。国内外还开发了多种轴向流搅拌桨，如德国ＥＫＡＴＯ公司逡逑研发的Ｉｎｔｅｒｐｒｏ桨，法国ＲＯＢＩＮ公司研制的ＨＰＭ桨，美国ＬＩＧＨＴＮＩＮ公司开逡逑发的Ａ３１０、Ａ３丨５、Ａ４１０、Ａ６０００系列桨，加拿大ＲＰＲＣＨＥＭ公司开发的Ｍａｘｆｌｏ逡逑桨国内，如华东理工大学开发的ＲＡＦ轴流桨ｗ］，北京化工大学研制的逡逑ＣＢＹ轴流桨Ｉ１７］，江苏石油化工学院开发的ｊＨ搅拌桨等。逡逑（ａ）邋Ａ３１０逦（ｂ）邋Ｍａｘｆｌｏ逦（ｃ）邋ＲＡＦ逦（ｄ）邋ＣＢＹ逡逑图１．２轴向流搅拌桨逡逑搅拌桨还可以以其他方式进行分类，如按照搅拌桨结构形式可分为平叶、折逡逑叶和螺旋叶片。其中平叶和折叶结构包括桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶
图１．３柔性桨型逡逑国内研[偅厍齑笱Я踝骰淌谕哦佣愿杖嶙楹辖涟杞敖辛讼嘤Φ难芯抗ゅ义献鳌Ａ踝骰榷匀嵝越埃ㄈ缤迹保乘荆┙涟璨壑懈唣ざ攘魈宀懔骰旌辖辛搜绣义蟍偅捎茫停幔簦欤幔馊砑退嵋患羁墒踊际趸竦没旌鲜奔浜突旌细衾肭拿婊插义希村义
本文编号：2817682
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ021
【部分图文】：
逦（ｃ）邋ＲＡＦ逦（ｄ）邋ＣＢＹ逡逑图１．２轴向流搅拌桨逡逑搅拌桨还可以以其他方式进行分类，如按照搅拌桨结构形式可分为平叶、折逡逑叶和螺旋叶片。其中平叶和折叶结构包括桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶，螺逡逑旋叶片包括推进式、螺杆式和螺带式的桨叶。按搅拌的用途可分为：低黏流体介逡逑质用搅拌桨和高黏流体介质用搅拌桨。桨式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯逡逑式、推进式、长薄叶螺旋桨、开启涡轮式、圆盘涡轮式、ＭＩＧ式和改进ＭＩＧ等逡逑为低黏流体介质搅拌桨；螺旋桨式、锚式、锯齿圆盘式、框式、螺带式（单螺带、逡逑双螺带）、螺旋－螺带式等为高黏流体介质搅拌桨。逡逑随着科学技术的进步，新型搅拌桨也会不断涌现，新型桨的研制将会出现以逡逑下转变：搅拌桨的设计由传统经验型设计向理论分析设计转变；新型桨的性能分逡逑析由宏观研宄向微观分析转变；桨叶的结构由传统单调型向组合优化型转变；以逡逑及更多新型技术的应用［２０］。逡逑徐峰介绍了轴流式搅拌桨在国内外的研宄现状和轴流式搅拌桨的特点、新逡逑型轴流桨的开发情况以及搅拌槽内数值模拟、流场测量显示技术。胡长鹰Ｉ２２】讨论逡逑３逡逑
逦（ｃ）邋ＣＤ－６逦（ｄ）邋ＢＴ－６逡逑图１．１径向流搅拌桨逡逑轴向流，流体被桨叶推动平行于搅拌轴向下流动，受到容器底面作用上翻，逡逑最终形成上下循环流。国内外还开发了多种轴向流搅拌桨，如德国ＥＫＡＴＯ公司逡逑研发的Ｉｎｔｅｒｐｒｏ桨，法国ＲＯＢＩＮ公司研制的ＨＰＭ桨，美国ＬＩＧＨＴＮＩＮ公司开逡逑发的Ａ３１０、Ａ３丨５、Ａ４１０、Ａ６０００系列桨，加拿大ＲＰＲＣＨＥＭ公司开发的Ｍａｘｆｌｏ逡逑桨国内，如华东理工大学开发的ＲＡＦ轴流桨ｗ］，北京化工大学研制的逡逑ＣＢＹ轴流桨Ｉ１７］，江苏石油化工学院开发的ｊＨ搅拌桨等。逡逑（ａ）邋Ａ３１０逦（ｂ）邋Ｍａｘｆｌｏ逦（ｃ）邋ＲＡＦ逦（ｄ）邋ＣＢＹ逡逑图１．２轴向流搅拌桨逡逑搅拌桨还可以以其他方式进行分类，如按照搅拌桨结构形式可分为平叶、折逡逑叶和螺旋叶片。其中平叶和折叶结构包括桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶
图１．３柔性桨型逡逑国内研[偅厍齑笱Я踝骰淌谕哦佣愿杖嶙楹辖涟杞敖辛讼嘤Φ难芯抗ゅ义献鳌Ａ踝骰榷匀嵝越埃ㄈ缤迹保乘荆┙涟璨壑懈唣ざ攘魈宀懔骰旌辖辛搜绣义蟍偅捎茫停幔簦欤幔馊砑退嵋患羁墒踊际趸竦没旌鲜奔浜突旌细衾肭拿婊插义希村义
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