王旭東，張賢明，夏洪均

(重慶工商大學 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

0 引言

混合攪拌是工業(yè)廢油再生前處理過程中的一個重要步驟，其目的是使廢油與吸附劑得到充分的混合，最大程度的去掉廢油中的顆粒狀雜質(zhì)，為后續(xù)的進一步凈化處理做準備。由于工業(yè)廢油凈化時的單批處理量較大以及油的粘度較高，因此，對攪拌反應(yīng)器的推力特性和混合效果都提出了很高的要求[1]。

螺旋攪拌槳由于其推力大及軸流特征好的特點，被廣泛用于石油化工生產(chǎn)中的物料混合以及溶解反應(yīng)等場合[2,3]。螺旋攪拌槳一般采用仿船用螺旋槳結(jié)構(gòu)，由槳轂和槳葉組成。槳轂造型簡單，呈現(xiàn)圓柱形狀，而螺旋槳葉表面形狀復(fù)雜，其三維實體造型是螺旋攪拌槳參數(shù)化設(shè)計的重點[4,5]。本文通過針對工業(yè)廢油場選用的螺旋攪拌槳進行參數(shù)確定及三維實體建模，計算模擬了該螺旋攪拌槳在流場中壓強及速度的分布特點，并對其進行靜力學分析，為該螺旋攪拌槳的應(yīng)用開發(fā)提供了理論依據(jù)。

1 螺旋攪拌槳葉參數(shù)確定及三維實體模型的建立

螺旋攪拌裝置的混合效率主要取決于槳葉的外部形狀和構(gòu)造特點。對于螺旋攪拌槳來說，其槳面形狀主要取決于槳的螺距比、盤面比和翼剖面形狀等形狀參數(shù)[6]。本文螺旋槳直徑D=500mm，槳葉數(shù)為4。螺旋攪拌槳葉在槳轂上沿螺旋線方向分布，螺旋線的軌跡趨勢決定了流場徑向和軸向的流速分布，這里取螺距P=600mm，即螺距比P/D=1.2，盤面比取為0.7。而螺旋攪拌槳葉的翼剖面選取傳統(tǒng)的NACA66系列，該系列翼型具有較低的阻升比，能夠很大程度上減小由于流體黏性引起的功率損失。該攪拌槳葉的三維實體模型建立如圖1所示。

圖1 螺旋攪拌槳實體模型

2 螺旋攪拌槳流場計算模型

攪拌器內(nèi)的流場分為上循環(huán)流區(qū)、槳葉與排除流區(qū)和下循環(huán)流區(qū)。為了充分了解流場內(nèi)的流速分布及混合效果。本文采用三維模型進行流場的數(shù)值模擬，攪拌介質(zhì)為工業(yè)廢油，屬于定常流動，其連續(xù)性方程為：

式中 為介質(zhì)密度，u為流場速度。

運動方程為：

其中：

螺旋攪拌流場求解模型，采用Fluent中的動參考系模型（Moving Reference Frame），在邊界條件設(shè)置時，首先設(shè)定螺旋攪拌槳周圍流體的轉(zhuǎn)動速度，然后確定攪拌槳與罐內(nèi)流體同步轉(zhuǎn)動[7]。對建立的螺旋攪拌流場模型劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 螺旋攪拌槳的計算網(wǎng)格

3 螺旋攪拌槳流場數(shù)值模擬

應(yīng)用Fluent軟件，對螺旋攪拌槳流場進行數(shù)值求解[8]。研究攪拌罐直徑為900mm，攪拌槳轉(zhuǎn)速為40r/min條件下流場的流速和壓強分布。將圖2建立的攪拌場網(wǎng)格以三維模式導(dǎo)入Fluent求解器，設(shè)置攪拌罐和攪拌槳之間流體區(qū)域的邊界條件，定義流體為工業(yè)廢油，設(shè)置流體區(qū)域的運動方式為轉(zhuǎn)動，定義轉(zhuǎn)速為40r/min，通過迭代求解，得到了螺旋攪拌槳葉表面壓強分布及罐內(nèi)的流速分布。

圖3給出了螺旋攪拌槳轉(zhuǎn)速為40r/min時，槳葉表面的壓強分布，可以看出，螺旋攪拌槳表面壓強沿徑向逐漸增大，最大壓強發(fā)生在槳葉的最外端，為504Pa。由于過高的轉(zhuǎn)速會破壞油質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，所以攪拌槳工作轉(zhuǎn)速設(shè)置較低，槳葉承受的壓強較小。圖4給出了截面 處螺旋攪拌槳周圍的流速分布圖，流場流速沿著槳葉向罐的方向逐漸增大，最大流速為1.86m/s。

圖3 螺旋攪拌槳葉表面壓強分布

圖4 截面 螺旋攪拌槳速度場分布

4 螺旋攪拌槳靜力學分析

根據(jù)上節(jié)中得到的螺旋槳表面壓強分布，將螺旋槳實體模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中對槳葉進行靜力學分析。螺旋攪拌槳材料選取為45鋼，對其進行網(wǎng)格劃分后，有限元模型單元數(shù)為47303，節(jié)點數(shù)為11553，如圖5所示。根據(jù)流場模擬的結(jié)果，我們知道，螺旋攪拌槳在工業(yè)廢油場中轉(zhuǎn)動時，其表面壓力沿槳徑方向逐漸增加，因此，這里將槳面沿槳徑方向分成4段，然后進行載荷施加。螺旋槳的約束條件根據(jù)其實際工作工況，將攪拌軸進行固定約束。在對螺旋攪拌槳約束和施加載荷后如圖6所示。

圖5 螺旋攪拌槳有限元網(wǎng)格模型

圖6 螺旋攪拌槳載荷和約束施加模型

通過對螺旋攪拌槳的有限元模型進行靜力學計算求解，螺旋槳槳面應(yīng)力分布如圖7所示，可以看出，整個螺旋攪拌槳所承受的應(yīng)力都很小，其中最大應(yīng)力為0.34Mpa，發(fā)生在軸和槳葉連接處，遠遠小于該槳所選材料的屈服極限，安全系數(shù)很高。這是由于計算的工況轉(zhuǎn)速為40r/min，轉(zhuǎn)速較低，因此，槳面所受的應(yīng)力也比較小。圖8給出了螺旋攪拌槳的位移變化圖，可以看出，螺旋攪拌槳位移變形沿槳徑方向逐漸增加，在槳沿處達到最大，其變化規(guī)律和槳葉所受的壓強變化規(guī)律相一致。

圖7 螺旋攪拌槳表面應(yīng)力分布

圖8 螺旋攪拌槳表面位移分布

5 結(jié)論

1）根據(jù)螺旋攪拌槳的結(jié)構(gòu)特點，在確定其形狀參數(shù)基礎(chǔ)上，建立了螺旋攪拌槳的三維實體模型及流場數(shù)值模擬模型。

2）針對建立的螺旋攪拌槳流場模型，借助Fluent的動參考系模塊，對其流場進行模擬分析，得到了螺旋槳表面的壓強分布及流場速度變化關(guān)系，槳面最大壓強發(fā)生在槳葉的最外端，為504Pa，流場最大流速為1.86m/s。

3）應(yīng)用ANSYS軟件，對螺旋攪拌槳進行靜力學分析，得到了槳面的壓強分布和位移變形分布，驗證了該螺旋攪拌槳結(jié)構(gòu)的可靠性。

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