基于流固耦合的搅拌反应器机械特性研究

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搅拌反应器广泛用于化工、轻工业、食品、医药、采矿、合成纤维、合成橡胶、合成塑料等工业。搅拌反应器一般由釜体、釜盖、搅拌器、夹套、传动装置、轴封装置等组成,搅拌反应器的工作过程主要是把不同状态(固体、液体、气体)的物料均匀的混合在一起,适用于许多不同的工况(压力、温度)等的搅拌混合过程。本文主要基于计算流体力学,对搅拌轴单端约束和两端约束的搅拌反应器流体特性进行对比仿真分析,然后根据流固耦合理论对搅拌轴进行有限元分析,观察两种搅拌器的应力应变分布,最后对搅拌反应器以及搅拌器结构振动特性进行分析。  本文对某型号的搅拌反应器建立三维模型,其中搅拌轴的约束方式主要包括单端约束(垂直悬空装配)和两端约束(设置下防摆)。首先运用Fluent软件,采用多重参考系坐标法(MRF)以及k-epsilon(2eqn)湍流模型对稳态气液两相模型进行流体特性分析;其次基于流固耦合理论,采用有限元法对流体方程、固体方程以及流固耦合方程求解计算,主要步骤包括模型的建立、网格划分、约束条件设置以及耦合面压力的添加,得到搅拌器结构的应力应变分布,对搅拌轴、桨叶进行应力评定,验证是否符合强度要求;最后对搅拌反应器模型和搅拌轴模型分别进行模态分析,研究两种不同搅拌反应器模型约束方式对其振动特性的影响。  通过对搅拌反应器流体特性的仿真分析可知,两种不同模型内部流体的流速大小以及分布十分接近,搅拌轴约束方式对流场的影响很小。由搅拌反应器静力学分析可以看出两种模型的应力分布接近,应力最大值集中在桨叶边缘以及桨叶和轴套连接部分,设置下防摆的搅拌轴的应力强度以及应变要小于单端约束的搅拌轴,具有更好的抗变形能力。根据搅拌反应器整体的模态分析可以看出,振动主要集中在搅拌轴上,并且设置下防摆的搅拌轴抗振强度要强于单端约束的搅拌轴。
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