搅拌系统动力特性研究

【摘要】搅拌设备,特别是机械搅拌设备广泛应用于各种过程工业中以综合实现物料间的动量、热量和质量传递以及化学反应。对机械搅拌设备中的搅拌系统动力特性的研究主要就是研究搅拌系统和搅拌槽内流体相互作用的特性与规律,并用于指导工业搅拌设备的优化设计。研究的重点是：搅拌系统临界转速的计算和影响因素分析；搅拌系统的动态受力情况和失效分析。由于固体与流体相互作用规律的复杂性,目前还无法用理论方法来准确分析与计算上述重点问题。因而对搅拌系统动态特性的研究至今仍主要依靠实验方法,并结合解析方法和数值模拟方法来进行。本论文的研究也是按照这一路线。通过自主设计、加工及安装调试,建立了搅拌系统临界转速及搅拌载荷测试的集成优化实验装置。该装置具有24个高速数据采集通道,并配有高精度激光位移传感器,实现了搅拌轴上弯矩、扭矩、轴向力、挠度及转速的同步测量,数据传输速度快,稳定性好。实现了搅拌系统临界转速的模态实验研究。首次引入了键相位测量的概念,开发了测量方法并成功地应用于搅拌系统动力特性研究,可获得任意旋转圈数的搅拌轴的载荷和振幅。本实验装置还根据实际应用的需要对数据实行了模块化管理,分别建立了分析方法及处理程序,简化了搅拌系统动力特性的分析操作。临界转速的实验结果与多种分析计算方法的结果进行对比表明：搅拌系统在空气中转动时,模态实验方法、库舒耳法及有限元计算得到的一阶临界转速基本吻合,但采用HG/T20569标准法计算得到的一阶临界转速误差较大。搅拌系统在水中转动时,如以模态实验得到的一阶临界转速结果作为基准,测量衰减振动的误差在5%之内,而以有限元方法计算结果为其准时测量误差较大。针对轴向流CBY桨,提出了等效的附加质量算法以修正有限元模型中质量参数。搅拌系统的支承刚度对临界转速及相应振型影响显著,支承刚度较低时,各阶临界转速的数值显著下降,均向低频范围移动,从而导致在较低频率范围内出现共振(或存在临界转速)的几率增大。从与搅拌轴轴线垂直的XY平面来看,搅拌系统绕X轴和Y轴转动的支承刚度分布决定了各阶临界转速的分布规律。当两方向支承刚度差别较小时,存在数值比较接近的“临界转速对”现象,反之,则两方向计算得出的临界转速数值相差较多。弯矩是一个极不稳定的载荷,搅拌轴的每个横截面上弯矩的大小和方向是完全随机变化的。与扭矩的时程不同,在弯矩时程中的弯矩数值变化幅度很大,相对于平均值的变化幅度甚至会超过平均值本身。弯矩矢端轨迹曲线不但存在一个平均值圆周,而且存在一个包络圆周。搅拌轴轴心的径向振动位移大小和方向是完全随机变化的。与弯矩矢端轨迹曲线一样,搅拌轴轴心轨迹曲线也存在一个平均值圆周和一个包络圆周。根据弯矩变化存在包络圆周的统计现象提出了“设计弯矩”的概念。如果定义设计弯矩值为弯矩的平均值加上2.6倍的标准偏差值,则当搅拌转速与临界转速之比小于80%时,作用在搅拌轴上的弯矩超过设计弯矩值的概率小于0.2%,该设计弯矩的提法符合工程设计的要求。提出无量纲设计弯矩系数CML：(?)该系数是对文献中提及的径向流体作用力系数的一种完善,对工程设计极有价值。它综合考虑了实际操作工况下流固耦合的影响,可概括多样化设计条件下的搅拌轴上弯矩的变化规律。为进一步研究搅拌槽内流固相互作用特性,利用PIV实验和CFD数值模拟方法,对单层及双层PBT桨搅拌槽内流场的流动特性进行了研究。在相同液位高度、桨叶直径及雷诺数条件下,单层PBT桨的高湍流动能区比双层PBT桨时各桨叶的对应区域要小。双层PBT桨各相位处,无因次化湍流动能为0.02的区域呈现合并的趋势。PBT桨叶片后方存在单一的尾涡结构,其在径向方向的移动距离小于轴向方向的距离。高湍流动能区与尾涡一起运动,从而实现能量自桨叶向槽内主体流动区域的传递。采用标准k-ε模型模拟的单层PBT桨的速度和尾涡形状与PIV实验一致,但湍流动能的预测值偏低。
【作者】马鑫；
【导师】徐鸿；
【作者基本信息】北京化工大学，化工过程机械，2007，博士
【关键词】搅拌轴；临界转速；等效质量；设计弯矩；轴心轨迹；径向流体力；

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