張龍龍，賀李萍，常　春,2，白　凈,2，陳俊英,2，方書起,2

(1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州　450001；2.生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州　450001)

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秸稈螺旋擠壓脫水機(jī)葉片強(qiáng)度和變形的流固耦合分析

張龍龍1，賀李萍1，常春1,2，白凈1,2，陳俊英1,2，方書起1,2

(1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州450001；2.生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州450001)

摘要：運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對秸稈螺旋擠壓脫水機(jī)進(jìn)行了流固耦合模擬分析，建立了秸稈漿料的流體模型，用Fluent軟件模擬了不同出口壓力條件下，螺旋擠壓脫水機(jī)內(nèi)部壓力場分布，并據(jù)此對螺旋擠壓脫水機(jī)的擠壓性能進(jìn)行了分析。同時(shí)，通過Workbench -Fluent單向流固耦合的方式，對螺旋葉片的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了分析，得出了出口壓力和葉片強(qiáng)度的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：秸稈；螺旋擠壓脫水機(jī)；流固耦合；強(qiáng)度分析

0引言

利用生物質(zhì)原料制備燃料乙醇時(shí)，需要對原料進(jìn)行預(yù)處理[1-2]。由于生物質(zhì)原料的收集、運(yùn)輸、粉碎等過程中極易混入砂土及金屬屑等雜物，如果直接送入后續(xù)設(shè)備容易造成設(shè)備的損壞[3-4]，因此需要對粉碎后的生物質(zhì)原料進(jìn)行水洗、脫水處理后再送入蒸汽爆破裝置或者酸、堿水解等后續(xù)設(shè)備。蒸汽爆破裝置對原料的含水率有一定的要求[5]，且研究表明進(jìn)料的含水率對汽爆效果有重要的影響[6]，對脫水設(shè)備提出了更高的要求。目前，對螺旋擠壓脫水機(jī)的理論研究多集中在實(shí)驗(yàn)方面[7-8]，模擬方面的研究較少，但模擬研究多數(shù)將流體原料定義為不可壓縮的水及瀝青等，且對螺旋葉片施加的載荷多是假定的定值載荷[9-10]，與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。

本文研究了一種自行設(shè)計(jì)的螺旋擠壓脫水機(jī)，采用變螺徑、變螺距和變軸徑的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。其主要幾何參數(shù)如下：螺旋葉片厚度取5mm;輸送段由2個(gè)螺距組成，螺距取135mm，軸徑取56mm，螺徑取110mm;壓縮段由3個(gè)螺距組成，螺距分別取120、100、80mm，末端軸徑取40mm，螺徑取80mm。

螺旋擠壓脫水機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)量為干料量2t/h，壓縮比為2.8，轉(zhuǎn)速為50 r/min。出口壓力(為防止蒸汽反噴的密封壓力)作為螺旋擠壓脫水機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，其改變必然會影響到設(shè)備內(nèi)部的壓力場分布，也必然會對螺旋葉片的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。本文運(yùn)用Fluent軟件通過UDF建立了螺旋擠壓脫水機(jī)內(nèi)可壓縮物料的流體模型，對螺旋擠壓脫水機(jī)內(nèi)部壓力場進(jìn)行了模擬與分析；同時(shí)，運(yùn)用Workbench中流固耦合分析方法，將螺旋葉片所受壓力調(diào)入強(qiáng)度分析模塊，得到了螺旋葉片的應(yīng)力分布和位移響應(yīng)云圖，并得出了葉片強(qiáng)度和出口壓力的變化關(guān)系。

1.調(diào)速電機(jī)　2.減速器　3.進(jìn)料倉

1用Fluent進(jìn)行壓力場模擬

1.1定義流體物性

1)理論假設(shè)。為便于研究對內(nèi)部流體特性做如下假設(shè)：①流動(dòng)為定常流動(dòng)，忽略重力；②流體為單相，可壓縮粘性流體，粘度為定值；③流體的密度沿軸向呈線性變化；④以流體密度的改變來反映實(shí)際流體的脫水效果。

2)可壓縮流體物性模型。結(jié)合Fluent軟件的功能特性和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，將流體的物性參數(shù)做以下設(shè)置：流體密度隨軸向線性增大，在螺旋軸壓縮比2.8的情況下，設(shè)置進(jìn)口端密度為50kg/m3，出口端密度為350kg/m3。由于軟件中只有密度隨溫度的變化關(guān)系，實(shí)際情況是密度隨軸向位置逐漸增大，為此編輯了UDF程序，將物料溫度定義為隨軸向線性變化，密度隨溫度線性變化，從而使得密度沿軸向呈線性變化。查閱文獻(xiàn)[11]，設(shè)置流體的粘度為0.09Pa·s。

1.2建立物理模型及網(wǎng)格劃分

本文采用的螺旋擠壓脫水機(jī)為上部進(jìn)料，螺旋末端出料，壓縮段為變螺徑、變螺距和變軸徑的螺旋葉片。流體區(qū)域和固體區(qū)域的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2　三維實(shí)體建模

將三維實(shí)體模型分別導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對葉片等形變劇烈部分進(jìn)行了局部加密，對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，選取了流體區(qū)域49萬、固體區(qū)域39萬的網(wǎng)格。兩個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　模型網(wǎng)格劃分

1.3數(shù)學(xué)模型及邊界條件

描述流體在設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)的方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[12]。

1)連性方程為

2)動(dòng)量守恒方程為

3)能量守恒方程為

其中，fi為流體的質(zhì)量力(N)；μ為流體的粘度系數(shù)(Pa·s)；k為傳熱系數(shù)[W/(m2·K))；ρ為流體密度(kg/m3)；ST為粘度耗散項(xiàng)(J/s)；T為溫度(K)；Cp為比熱容[J/(kg·K)]。

采用密度基穩(wěn)態(tài)求解，數(shù)值計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型下的低雷諾數(shù)適用模型，求解格式采用隱式Implicit格式，通量類型采用Roe-FDS，梯度求解采用Green-Gauss Node Based格式，流動(dòng)等方程采用二階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-5。采用多參考坐標(biāo)系模型MRF方法，定義動(dòng)區(qū)域(流體區(qū)域中筒體內(nèi)隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的流體部分)的流體相對與絕對坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為50r/min；定義螺旋面相對與動(dòng)區(qū)域靜止，其他壁面采用無滑移固體壁面，所有壁面材料為鋼；根據(jù)表面粗糙度對照表，粗糙度設(shè)置為4.6×10-5m，粗糙度常數(shù)為0.5。采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，流量為9t/h，壓力出口邊界條件、出口壓力分別是0.4、0.5、0.6、0.8MPa。

1.4壓力場分析

圖4為出口壓力分別是0.4、0.5、0.6、0.8MPa時(shí)設(shè)備內(nèi)部壓力場分布云圖。

從圖4可以看出：壓縮段壓力逐漸增大，且最大壓力出現(xiàn)在壓縮段最后一個(gè)螺旋葉片處。這是因?yàn)殡S著螺距間空間體積的逐步減小，螺旋流道逐漸變窄，流體體積不斷壓縮，流體抵御變形對螺旋葉片的反向作用力逐漸增大，在螺旋葉片末端流道最窄處達(dá)到最大壓力，螺旋葉片末端處的擠壓效果較好。提取了不同出口壓力Poutlet的情況下內(nèi)部壓力場壓力的最大值Pmax進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)和趨勢如表1和圖5所示。對比數(shù)據(jù)和趨勢線圖可以看出：最大壓力值隨著出口壓力的增大基本上呈線性變化趨勢。這說明，出口壓力越大，相對應(yīng)的物料所受到的壓力也越大，擠壓效果也越明顯。

圖4　4種出口壓力下的設(shè)備內(nèi)部壓力場

圖5　不同出口壓力與最大壓力關(guān)系

Table 1The maximum pressure under different outlet pressureMPa

PoutletPmax0.40.580.50.72

續(xù)表1

2單向耦合強(qiáng)度分析

2.1定義材料參數(shù)及施加載荷

定義螺旋軸的材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2e11Pa，泊松比為0.3。對螺旋軸的前后兩個(gè)圓形端面施加固定約束。葉片背部受力非常小，忽略不計(jì)，只加載Fluent計(jì)算結(jié)果中的流體區(qū)域中螺旋葉片主承壓面所對應(yīng)的面受到的載荷。

2.2計(jì)算結(jié)果分析

圖6為出口壓力分別為0.4、0.5、0.6、0.8MPa時(shí)螺旋葉片應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)和位移響應(yīng)云圖(單位：mm)。

圖6　4種出口壓力下螺旋軸的應(yīng)力和位移

由應(yīng)力分布云圖和位移響應(yīng)云圖可以看出：受力較大的末端螺旋葉片其應(yīng)力從葉片外沿到葉片根部呈增大趨勢，在葉片的根部位置達(dá)到最大值Fmax；其位移從葉片根部到葉片外沿呈增大趨勢，在葉片的外沿位置達(dá)到最大值Smax；壓縮段螺旋葉片根部是危險(xiǎn)截面，特別是最后一個(gè)螺旋葉片末端的葉片根部，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考察其強(qiáng)度。不同出口壓力Poutlet下的應(yīng)力、位移最大值如表2所示，出口壓力與應(yīng)力和位移的關(guān)系趨勢見圖7。

表2　同出口壓力下最大應(yīng)力Fmax與最大位移Smax結(jié)果

圖7　不同出口壓力與最大應(yīng)力、位移關(guān)系

對比數(shù)據(jù)和趨勢線圖可以看出：隨著出口壓力的增大，螺旋葉片所受到的最大應(yīng)力基本呈線性增大趨勢，螺旋葉片所產(chǎn)生的最大應(yīng)變也基本呈線性增大趨勢。這表明，隨著出口壓力的增大，增加了危險(xiǎn)截面處的危險(xiǎn)程度。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力重點(diǎn)考察。

3結(jié)論

1)螺旋擠壓脫水機(jī)輸送段只起到輸送流體的作用，沒有擠壓效果；壓縮段壓力逐漸增大，且最大壓力出現(xiàn)在壓縮段最后一個(gè)螺旋葉片處，螺旋葉片末端處的擠壓效果較好；最大壓力值隨著出口壓力的增大基本上呈線性變化趨勢，合理增大出口壓力能提高設(shè)備的擠壓脫水效果。

2)螺旋葉片其應(yīng)力從葉片外沿到葉片根部呈增大趨勢，在葉片的根部位置達(dá)到最大值；其位移從葉片根部到葉片外沿呈增大趨勢，在葉片的外沿位置達(dá)到最大值；螺旋葉片根部是危險(xiǎn)截面；隨著出口壓力的增大，螺旋葉片所受到的最大應(yīng)力基本呈線性增大趨勢，螺旋葉片所產(chǎn)生的最大位移也基本呈線性增大趨勢。

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Fluid-solid Coupling Analysis of Blade Strength and Deformation in Screw Extruder of Straw

Zhang Longlong1, He Liping1, Chang Chun1,2, Bai Jing1,2, Chen Junying1,2, Fang Shuqi1,2

(1.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001 China；2.Engineering Laboratory of Henan Province for Biorefinery Technology and Equipment, Zhengzhou 450001, China)

Abstract：Using numerical simulation method for fluid-solid coupling simulation analysis of screw extruder of straw,a fluid model of straw slurry is established, Fluent has been used to study internal distribution of pressure field of screw extruder of straw under different outlet pressure, accordingly extrusion performance of screw extruder has been analyzed.Workbench-Fluent unidirectional fluid-solid coupling mode has been used to analyze the strength and deformation of spiral blade , the relationship between outlet pressure and blade strength is obtained.

Key words：straw; screw extruder; fluid-solid coupling; strength analysis

文章編號：1003-188X(2016)02-0026-05

中圖分類號：S226.7；TQ022.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張龍龍(1988-)，男，河南洛陽人，碩士研究生。通訊作者：方書起(1964-)，男，山東冠縣人，教授，(E-mail)fangsq@zzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176227)

收稿日期：2015-01-30