基于双向流固耦合的错位六弯叶桨搅拌特性

发布时间：2020-07-11 02:12

【摘要】：基于ANSYS Workbench分析平台,采用双向流固耦合计算方法,对六弯叶桨(6BT)和错位六弯叶桨(6PBT)搅拌性能进行了对比分析,根据桨叶与流体之间相互耦合运动特性,考察了桨叶的等效应力和变形量的分布,探讨了流场结构对混合效率的影响。结果表明:速度矢量的计算值与PIV实验值吻合较好,基于双向流固耦合计算模型的数据结果可靠;同6BT桨相比,6PBT桨叶端部应力提高了51%,根部应力降低了22.2%,应力分布更趋均匀化,可有效提高桨叶强度,增强能量传递,而总变形量与6BT桨基本相同;6PBT桨能够产生不对称流场结构,混合时间明显降低,混合效率显著提高,其中6PBT桨的单位体积混合能只有6BT桨48%,体现出错位桨的优越性,这可为搅拌器的优化设计提供理论参考。
【图文】：

的叶端速度Ｕｔｉｐ＝０．７ｍ／ｓ，雷诺数Ｒｅ＝２３３３９，此时流动为湍流状态。搅拌轴与叶轮均采用结构钢，密度为７．８５×１０３ｋｇ／ｍ３，泊松比为０．３，弹性模量为２．０×１０１１Ｐａ，屈服强度为２．５×１０８Ｐａ。使用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中ＩＣＥＭ对计算区域进行网格划分，采用非结构化四面体单元进行离散，对于速度梯度较大的转子区域，将网格进行加密处理，如图２所示。为验证网格无关性，以转子区的速度大小及搅拌器功率准数的改变量均不超过３％为依据，本文最终采用１１０６５００个左右的网格单元数对流体计算域进行离散。图２搅拌槽计算网格示意２计算策略双向流固耦合计算是一个复杂的非定常过程，在流体区域，选用ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的ＦｌｕｉｄＦｌｏｗ（Ｆｌｕｅｎｔ）模块对流体运动进行计算，采用多重参考系法（ＭＲＦ）和κ－ε双方程湍流模型，叶片与流体的接触面设置为ｓｙｓｔｅｍ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ，槽内壁面设置为ｄｅｆｏｒｍｉｎｇ，所有变量的收敛残差均小于１×１０－４；在固体区域，通过ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模块对搅拌器进行瞬态动力学分析，搅拌轴在径向和轴向上固定约束，叶片面设置为ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ，两个区域设置相同的时间步长０．００１ｓ。最后将两个区域的模型一并导入ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的ｓｙｓｔｅｍ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ模块中，将流体区域中的ｓｙｓｔｅｍ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ面与固体区域中的ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｉ

的。根据已有的研究结果【１４】，将监测点选在靠近液面处比较合适。为此，本文选择监测点位置坐标为（９５，０，１１５），在计算浓度场分布时，组分收敛残差设定为１０－７，时间步长设置为１×１０－３ｓ。图６六弯叶桨纵截面速度示意图７错位六弯叶桨纵截面速度示意搅拌器的混合速率时常用混合时间数Ｔｍ来表征，其表达式为：Ｔｍ＝Ｎ·ｔ９５（１）式中：Ｔｍ———常用混合时间数；Ｎ———转速，ｒ／ｓ；ｔ９５———混合时间，ｓ。Ｔｍ数值越小，表明搅拌器的混合速率越高，当搅拌器转速相同时，可用混合时间表征。图８为搅拌槽内示踪剂的浓度对时间的响应曲线。由图８可知，对于六弯叶桨，ｔ９５＝２．７ｓ，而错位桨的混合时间ｔ９５＝１．４ｓ，明显小于六弯叶桨。可见错位桨的混合速率更高。图８示踪剂浓度变化曲线利用单位体积混合能ＷＶ可表征混合效率，ＷＶ越小，混合效率越高。它的表达式为：ＷＶ＝ＰＶ·ｔ９５（２）ＰＶ＝２πＮＭ／Ｖ（３）·４８·石油化工设备技术２０１７年

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