基于流固耦合的错位桨搅动假塑性流体模态分析！

发布日期：2024-10-31 04:07 点击次数：188

摘要：模态分析是指畅通构件在平素责任时为幸免发生共振景观而阁下的一种分析设施。著述选拔基于双向流固耦合的运算设施，对错位六弯叶桨(6PBT)在静模态和预应力模态下的固有频率和振型图进行对比分析。预应力模态分析在流变指数分别为n=0.9、0.7和0.5的黄原胶溶液(一种相比典型的假塑性流体)中进行。收尾标明：流体流变性对桨叶的振型分散和模态频率基本莫得影响，在静模态和预应力模态下6PBT桨的振型分散斟酌，均施展为1～6阶为扭转振型，7～10阶为周折振型，桨叶的模态频率并未发生较大变化，诠释搅动介质与桨叶的互相耦配合用并莫得对6PBT桨的模态形成很大影响。因此6PBT桨在搅动不同流变指数的假塑性流体时，其固有频率和振型分散具有领略性的特色，在很猛进程上镌汰了搅动桨在搅动进程中出现共振景观的概率。

枢纽词：流固耦合错位六弯叶桨假塑性流体模态分析

在石油、化工和制药等范畴时时会碰到搅动介质为假塑性流体的情况【1-3】。区别于常见的牛顿流体，假塑性流体的粘度会跟着切应力的增大而减小，这种特殊的流变秉性使得假塑性流体在被搅动进程中不同位置处的粘度不同【4】，因此在搅动的介质为假塑性流体时需要额外艳羡开采的领略性问题。搅动桨当作搅动开采的蹙迫构成部分，不同模态下的频率和振型等参数径直关系到搅动开采的沉稳运转。搅动进程中桨叶和介质间存在流固耦合的作用，导致桨叶发生变形和振动等景观，当桨叶在搅动进程中预应力模态下的固有频率与静模态下的固有频率接近时，可幸免共振景观发生【5】。为了幸免发生共振景观,对搅动桨进行模态分析是很有必要的。

当今,利用流固耦合设施筹商流体和固体之间的互相作用受到好多学者的爱好，其中皆立龙【6】选拔单向流固耦合的测度设施对双向泵的模态进行筹商，收尾标明，预应力对不同尺寸泵的变化频率影响不同；赵婉丽【7】阁下双向流固耦合的设施分别对柔性桨和刚性桨的尾涡以及湍动能分散律例进行了筹商，得出尾涡随相位角的加多向槽壁方针畅通、高湍流区位于叶片端部三角区域的论断；栾德玉等【8】利用双向流固耦合的设施对错位六弯叶桨(6PBT)与六弯叶桨(6BT)搅动假塑性流体秉性进行分析筹商，从桨叶的应力分散情况、变形量大小等方面讲演了错位六弯叶桨的上风；朱俊【9】选拔斟酌的设施，通过分析刚性桨及刚柔组合桨的等效应力和总变形量，得出相干于刚性桨而言刚柔组合桨功率浪掷较低、搅动介质的搀和恶果显然普及的论断；巩亚东【10】等在粘度不同的情况下，分别对搅动安装的转矩大小、桨叶变形情况进行了双向流固耦合筹商，发现了物料的粘度值对搅动安装的转矩影响较大、而搅动釜中物料填充率对搅动桨转矩影响不大的特色。6PBT桨对流体的粘度范围具有较强的适用性，额外合适于假塑性流体的搅动进程【11】，但当今对错位六弯叶桨在搅动流体的进程中、桨叶与流体互相斗争情况下桨叶产生的固有频率和振型还未进行相干筹商。本文通过双向流固耦共测度，在静模态和预应力模态下对6PBT桨的固有频率和振型进行分析，并探讨流体流变性对固有频率和振型特征的影响，为6PBT桨的内容应用提供模仿。

1 模子几何结构与网格折柳

搅动槽给与圆柱筒体平底式，圆筒内径T=210 mm，4块矩形挡板均匀分散在搅动槽的四周，其宽度w=T/10;6PBT桨桨径D=T/2，桨叶宽度b=T/10、厚度为2 mm、后弯角θ=30°，搅动轴直径d=16 mm；错位六弯叶桨桨叶中心位置距离搅动槽槽底高度C=T/3,槽内液位高度H=T。搅动槽及搅动桨暗意如图1所示。

图1 搅动槽及搅动桨暗意

利用Workbench中的Mesh模块对搅动槽及搅动桨进行网格折柳，选拔非结构四面体网格单位对流体域进行闹翻化处理，相干于静区域，对速率梯度相比大的桨叶周围的转子区域选拔相比密集的网格。为考证网格的无关性，以转子区的速率大小及搅动器功率准数的改换量均不迥殊3%为依据，本文最终选拔1 106 226个网格单位数对测度域进行闹翻。搅动槽及搅动桨网格折柳见图2。

图2 搅动槽及搅动桨网格折柳

2 测度设施

基于双向流固耦合的测度设施，固体域在Workbench软件的transient structure模块进行模拟，在Modal模块中培植领域条目为搅动轴切向开脱、径向与轴向固定经管，忽略轴的舞动,搅动桨叶片培植为fluid flow interface;流体域在Fluid Flow模块中进行模拟，搅动介质为黄原胶溶液，模拟选拔瞬态动网格的模拟设施，同期开启κ-ε湍流模子方程，并将拘谨残差培植为1×10-4，搅动桨耦合面培植为system coupling，液面领域条目培植为symmetry；流体域和固体域的时间步长均培植为0.001s。双向流固耦合的测度进程在ANSYS的责任界面包含A、B、C、D 4个方面，模子的培植在模块A(Geometry)中进行，将建好的模子传输给B(Fluid Flow)和D(Transient Structural)模块调用，临了将B模块和D模块沿途导入到C(System-Coupling)模块中进行测度。各模块的贯穿暗意如图3所示。

图3 双向流固耦合模拟设施模块贯穿暗意

3 收尾与规划

模态分析是分析物体在激发情景下的能源反映，是能源学分析的一种。在分析软件ANSYS Workbench中的Modal模块进行模态分析,并利用模态分析中的Block-Lanczos设施进行模态频率的索求，能获取较快的拘谨速率【12】。静模态分析是指在无外部介质斗争的情况下，对桨叶自身固有频率和振动形态的分析。静模态只取决于桨叶自己的性质，如材料、体积、局面、贯穿口头和转速等。预应力模态分析是指在责任情景下，利用Static Structure和Modal模块对桨叶进行的模态分析。模态分析进程暗意如图4所示。

3.1 6PBT桨叶在静模态和预应力模态下的固有频率

表1是6PBT桨在转速为120 r/min时静模态和不同流变指数的预应力模态下前10阶固有频率值大小的对比情况。由表1不错看出，阶次斟酌期，6PBT桨在不同流变指数下(n=0.9、0.7和0.5)的固有频率与静模态下的固有频率趋于斟酌，由此可见，流体流变指数的变化并莫得使桨叶的固有频率发生较大变化(其固有频率的最大变化量仅为0.1%)。因此6PBT桨在搅动假塑性流体时，可灵验幸免共振景观发生。

3.2 6PBT桨叶在静模态和不同流变指数的预应力模态下的振型分析

图5和图6分别是6PBT桨在转速为120 r/min 时、静模态和流变指数分别为n=0.5、0.7和0.9的预应力模态下的前10阶振型图。由图5和图6不错看出：静模态下桨叶的前6阶为扭转振型，第7～10阶为周折振型；在预应力模态下，搅动不同流变指数的假塑性流体时，桨叶振型图与静模态的振型图分散秉性一致，莫得出现振型的显然变化。

表2是6PBT桨在静模态和流变指数分别为n=0.5、0.7和0.9的预应力模态下的前10阶振型值最大变化量的对比情况。由表2可知，6PBT桨在静模态和预应力模态下最大振型幅值均仅为9.1%，总体来说桨叶振型幅值变化呈略减小趋势，因此6PBT桨合适搅动流变指数不同的假塑性流体。6PBT桨在转速为150 r/min与180 r/min 时静模态与预应力模态下固有频率及振型幅值的变化律例与120 r/min时的变化律例斟酌，本文由于篇幅所限，不再逐个呈现。

图4 模态分析进程暗意

表1 6PBT桨在静模态和预应力模态下前10阶固有频率测度收尾相比