【摘要】：基于ANSYS Workbench分析平臺(tái),采用雙向流固耦合計(jì)算方法,對(duì)六彎葉槳(6BT)和錯(cuò)位六彎葉槳(6PBT)攪拌性能進(jìn)行了對(duì)比分析,根據(jù)槳葉與流體之間相互耦合運(yùn)動(dòng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)混合效率的影響。結(jié)果表明:速度矢量的計(jì)算值與PIV實(shí)驗(yàn)值吻合較好,基于雙向流固耦合計(jì)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(qiáng)度,增強(qiáng)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(duì)稱流場(chǎng)結(jié)構(gòu),混合時(shí)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(cuò)位槳的優(yōu)越性,這可為攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)流動(dòng)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(qiáng)度為２．５×１０８Ｐａ。使用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中ＩＣＥＭ對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體單元進(jìn)行離散，對(duì)于速度梯度較大的轉(zhuǎn)子區(qū)域，將網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖２所示。為驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，以轉(zhuǎn)子區(qū)的速度大小及攪拌器功率準(zhǔn)數(shù)的改變量均不超過(guò)３％為依據(jù)，本文最終采用１１０６５００個(gè)左右的網(wǎng)格單元數(shù)對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行離散。圖２攪拌槽計(jì)算網(wǎng)格示意２計(jì)算策略雙向流固耦合計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的非定常過(guò)程，在流體區(qū)域，選用ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的ＦｌｕｉｄＦｌｏｗ（Ｆｌｕｅｎｔ）模塊對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)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(guò)ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模塊對(duì)攪拌器進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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(gè)區(qū)域設(shè)置相同的時(shí)間步長(zhǎng)０．００１ｓ。最后將兩個(gè)區(qū)域的模型一并導(dǎo)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(cè)點(diǎn)選在靠近液面處比較合適。為此，本文選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)為（９５，０，１１５），在計(jì)算濃度場(chǎng)分布時(shí)，組分收斂殘差設(shè)定為１０－７，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為１×１０－３ｓ。圖６六彎葉槳縱截面速度示意圖７錯(cuò)位六彎葉槳縱截面速度示意攪拌器的混合速率時(shí)常用混合時(shí)間數(shù)Ｔｍ來(lái)表征，其表達(dá)式為：Ｔｍ＝Ｎ·ｔ９５（１）式中：Ｔｍ———常用混合時(shí)間數(shù)；Ｎ———轉(zhuǎn)速，ｒ／ｓ；ｔ９５———混合時(shí)間，ｓ。Ｔｍ數(shù)值越小，表明攪拌器的混合速率越高，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速相同時(shí)，可用混合時(shí)間表征。圖８為攪拌槽內(nèi)示蹤劑的濃度對(duì)時(shí)間的響應(yīng)曲線。由圖８可知，對(duì)于六彎葉槳，ｔ９５＝２．７ｓ，而錯(cuò)位槳的混合時(shí)間ｔ９５＝１．４ｓ，明顯小于六彎葉槳�？梢�(jiàn)錯(cuò)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(dá)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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