立式捏合机搅拌槽内混沌混合特性研究

摘要

固体推进剂是以高分子为基经由预混、混合和浇注等工序制备而成的具有特定性能的含能复合材料，是固体火箭发动机的动力能源，在导弹、航空和航天技术领域中发挥着重要作用。立式捏合机是固体推进剂配方研制与批次生产工序的重要混合设备，设备的混合性能直接影响固体推进剂的工业生产质量和安全性。作为立式捏合机的关键部件，桨叶的搅拌与捏合作用直接影响立式捏合机的混合质量、混合效率以及混合过程安全性。立式捏合机桨叶混沌混合过程涉及混合效率、混合功率消耗以及桨叶与搅拌物料流场耦合作用等关键问题。针对立式捏合机搅拌槽内混沌混合过程的关键问题，本文以1L两桨立式捏合机为研究对象，对捏合机混沌混合过程中桨叶搅拌混合机理、桨叶扭矩负载特性及桨叶变形量进行系统研究，主要研究内容如下：
　　首先，揭示立式捏合机搅拌槽内混沌混合机理。依据哈密尔顿系统方程，结合混沌混合理论，并通过流场可视化实验，建立立式捏合机物料流动与Smale马蹄映射关系。研究立式捏合机桨叶安装位置与桨尖运动速率特点，分析捏合机桨叶对混合物料不同组分的混合作用机理。判定物料颗粒Poincaré截面内点分布特点，阐述立式捏合机搅拌槽内的混沌混合特征。分析搅拌槽内流场混合指数和物料平均应变速率，进一步揭示搅拌槽内物料的流动状态及桨叶对物料的混合作用机理。
　　其次，揭示立式捏合机桨叶结构和工艺参数对混沌混合均匀性的影响关系。由立式捏合机桨叶的混沌混合机理可知，桨叶结构和工艺参数直接影响搅拌槽内桨叶对物料的剪切、折叠和拉伸作用强度。依据混沌混合Poincaré截面定义，并运用统计学原理，采用立式捏合机搅拌槽内物料颗粒混合均匀性量化指标并对混合效率展开定量对比分析。研究桨桨间隙、桨叶螺旋角和桨叶转动模式与搅拌槽内物料颗粒混合均匀性的影响关系，阐明1L两桨立式捏合机混合效率的关键影响因素，并进一步优化桨叶结构和工艺参数。
　　再次，阐明立式捏合机混沌混合过程桨叶的扭矩负载变化规律。基于立式捏合机桨叶混沌混合过程对搅拌物料的剪切、折叠和拉伸作用，揭示桨叶瞬时扭矩消耗的变化规律及与桨叶相对位置的变化关系。选取桨叶瞬时扭矩和平均扭矩为立式捏合机桨叶扭矩负载量化指标，研究桨桨间隙、桨叶螺旋角、桨叶组合形式等桨叶结构参数和桨叶转动模式、桨叶转速等工艺参数对捏合机混沌混合过程桨叶扭矩负载的影响关系。揭示桨叶结构和工艺参数与桨叶扭矩消耗的变化规律，阐明立式捏合机桨叶扭矩消耗的关键影响因素，为降低捏合机功率消耗和功率放大设计提供理论依据。
　　最后，提出立式捏合机混沌混合增强桨叶结构刚度的设计准则。基于立式捏合机混沌混合过程桨叶与搅拌物料之间的多场耦合作用，选取桨叶最大变形量为桨叶变形量量化指标，研究牛顿流体密度、粘度等物理参数，桨桨间隙、桨叶螺旋角、桨叶组合形式等桨叶结构参数，以及桨叶转动模式、桨叶转速等工艺参数与桨叶最大变形量的影响关系。评估捏合机桨叶变形量的安全性，阐明物料影响桨叶变形量的关键物理参数，提出减小桨叶变形量增加桨叶结构刚度的设计准则，建立工艺参数与桨叶变形量的数学关系。
　　本文所取得的研究成果对固体推进剂提供高效的混合设备、降低固体推进剂生产成本和确保工业混合过程安全性具有重要的指导意义。

目录

声明

1 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景

1.3研究的目的和意义

1.4研究现状

1.5本文的研究内容及组织结构

2 立式捏合机搅拌槽内混沌混合特性

2.1混合系统混沌混合理论

2.2立式捏合机桨叶工作原理

2.3立式捏合机混合过程量化指标

2.4本章小结

3 立式捏合机混沌混合均匀性研究

3.1计算流体力学控制方程

3.2立式捏合机物料颗粒流动性分析

3.3立式捏合机颗粒分布均匀性分析

3.4本章小结

4 立式捏合机混沌混合桨叶扭矩负载特性研究

4.1立式捏合机功率特性分析

4.2立式捏合机桨叶扭矩负载仿真结果的实验验证

4.3立式捏合机桨叶结构对扭矩负载特性的影响

4.4立式捏合机工艺参数对扭矩负载特性的影响

4.5立式捏合机桨叶结构对功率特性曲线的影响

4.6本章小结

5 立式捏合机混沌混合桨叶变形量研究

5.1立式捏合机桨叶流-固耦合仿真

5.2混合物料对桨叶变形量的影响

5.3立式捏合机桨叶结构参数对桨叶变形量的影响

5.4立式捏合机工艺参数对桨叶变形量的影响

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2论文创新点

6.3研究展望

7 致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读博士学位期间发表论文目录

附录Ⅱ 在攻读博士学位期间参与的课题

附录Ⅲ 攻读博士学位期间所获奖项