芳纶脱泡器流场模拟及其双螺旋叶片结构分析与优化

摘要

芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维,广泛应用于国防军工、航空航天、机电、建筑、汽车、体育用品等各个领域。脱泡搅拌器是芳纶生产中的重要设备。搅拌器的双螺带叶片工作在高粘度胶液中,叶片与胶液相互作用,是典型的流-固耦合问题。一般情况下,叶片的流-固耦合计算是一个比较复杂的问题,但是,考虑到胶液粘度高且叶片匀速旋转,胶液基本上是层流,流-固耦合可以简化。
　　 本文在对流-固耦合基本理论以及研究流-固耦合的各种方法进行分析的基础上,利用工程软件对胶液与搅拌叶片的流-固耦合现象进行了仿真分析。其分析结果可以为双螺旋叶片结构改进、优化设计和实验研究提供理论依据。本论文主要完成了以下工作:
　　 1.深入分析了流-固耦合的基本理论以及研究流-固耦合的方法,建立了流体-弹性体结构系统流-固耦合模型。最后给出了搅拌叶片与内部流体流-固耦合关系及其耦合模型。分别单独推导了流体-弹性体结构系统中流体的基本方程,结构体的基本方程,以及耦合后的动力学方程。
　　 2.利用FLUENT软件对搅拌器内部三维流场进行了CFD数值计算。得到了脱泡器内部三维流场的详细情况,包括流线,速度分布,压力分布等,并对不同搅拌速度下内部流场变化作了对比,得到了压力随搅拌速度变化的关系曲线图。
　　 3.根据FLUENT中得到的叶片固-液耦合面的流体压力数据。在ANSYS中对六种不同厚度叶片的刚／强度进行仿真计算,得出叶片厚度与压力、变形的关系。使搅拌叶片在满足材料强度刚度要求的同时,又能满足耗材,加工要求。
　　 4.对搅拌叶片动力特性进行了仿真计算,得到了搅拌叶片前十阶频率及其振型。其中在胶液中进行动力特性分析时运用了附加质量法,通过表面效应单元传递了流体对叶片的反作用力。结果表明,叶片在胶液中的固有频率比空气中有所降低,并且对不同阶次频率,附加质量的影响有所不同。