新型错位桨搅拌假塑性流体流固耦合特性与混合性能研究

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搅拌槽内流体混合主要以宏观运移、局部扩散与分子扩散3种形式进行。其中,改变搅拌桨叶结构大多是为了改变槽内流体宏观运移形式,进而使宏观流场结构得以改进,促进流体高效混合,这也是设计人员经常应用的方法。而新型错位桨(N-6PBT)是以错位桨(6PBT)结构为基础,在桨叶端部增加柔性膜片,其目的是在不改变槽内流体宏观运移形式的前提下,增强流体局部扩散,从而促进流体混合。本文基于双向流固耦合分析方法,运用Workbench ANSYS 19.0有限元分析平台,对N-6PBT桨搅拌假塑性流体流固耦合特性与混合性能进行深入研究。主要结论如下:(1)运用Fluent流体分析软件建立了N-6PBT桨流场数值模型,并且通过搅拌器功耗测定实验对其模型进行实验验证,验证了搅拌流场数值验证方法的可靠性。通过流变实验与非线性拟合,表明运用幂律粘度模型的正确性,并且获得了黄原胶水溶液各项参数取值。(2)N-6PBT桨与6PBT桨相比较,流场宏观结构无明显改变,而流体局部扩散行为增强,N-6PBT桨搅拌流体时流体受力更大,有利于槽内流体混合。N-6PBT桨在不同工况中进行动力学分析,转速提高,流体局部扩散行为增强,槽内整体流体速度提高;流体质量分数升高,流变指数降低,局部流体湍流动能耗散率降低,局部流体扩散行为削弱。(3)对N-6PBT桨进行静模态分析与250 r·min-1、350 r·min-1、450 r·min-1及550r·min-1四种转速下预应力模态分析,得到前8阶固有频率与振型分布。桨叶振型均不明显,其振动主要发生在柔性膜片上。预应力模态固有频率与静模态相比较变化很小,表明了离心力与流固耦合作用力对N-6PBT桨模态影响小,未产生明显的预应力效应。(4)在250 r·min-1、350 r·min-1、450 r·min-1及550 r·min-1四种转速下对N-6PBT桨与6PBT桨混合性能进行对比研究,结果发现,当转速为450 r·min-1时,6PBT桨混合效率最高,当转速为350 r·min-1时,N-6PBT桨混合效率最高,这是因为随着搅拌转速提高,搅拌轴附近柱状回流现象越发明显,不利于流体混合。而在相同转速条件下,N-6PBT桨的混合效率均高于6PBT桨,表明了N-6PBT桨更有利于假塑性流体的高效混合。
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