基于工業(yè)廢油場(chǎng)的螺旋攪拌槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究

王旭東，張賢明，夏洪均

(重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

0 引言

混合攪拌是工業(yè)廢油再生前處理過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，其目的是使廢油與吸附劑得到充分的混合，最大程度的去掉廢油中的顆粒狀雜質(zhì)，為后續(xù)的進(jìn)一步凈化處理做準(zhǔn)備。由于工業(yè)廢油凈化時(shí)的單批處理量較大以及油的粘度較高，因此，對(duì)攪拌反應(yīng)器的推力特性和混合效果都提出了很高的要求[1]。

螺旋攪拌槳由于其推力大及軸流特征好的特點(diǎn)，被廣泛用于石油化工生產(chǎn)中的物料混合以及溶解反應(yīng)等場(chǎng)合[2,3]。螺旋攪拌槳一般采用仿船用螺旋槳結(jié)構(gòu)，由槳轂和槳葉組成。槳轂造型簡(jiǎn)單，呈現(xiàn)圓柱形狀，而螺旋槳葉表面形狀復(fù)雜，其三維實(shí)體造型是螺旋攪拌槳參數(shù)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[4,5]。本文通過(guò)針對(duì)工業(yè)廢油場(chǎng)選用的螺旋攪拌槳進(jìn)行參數(shù)確定及三維實(shí)體建模，計(jì)算模擬了該螺旋攪拌槳在流場(chǎng)中壓強(qiáng)及速度的分布特點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，為該螺旋攪拌槳的應(yīng)用開發(fā)提供了理論依據(jù)。

1 螺旋攪拌槳葉參數(shù)確定及三維實(shí)體模型的建立

螺旋攪拌裝置的混合效率主要取決于槳葉的外部形狀和構(gòu)造特點(diǎn)。對(duì)于螺旋攪拌槳來(lái)說(shuō)，其槳面形狀主要取決于槳的螺距比、盤面比和翼剖面形狀等形狀參數(shù)[6]。本文螺旋槳直徑D=500mm，槳葉數(shù)為4。螺旋攪拌槳葉在槳轂上沿螺旋線方向分布，螺旋線的軌跡趨勢(shì)決定了流場(chǎng)徑向和軸向的流速分布，這里取螺距P=600mm，即螺距比P/D=1.2，盤面比取為0.7。而螺旋攪拌槳葉的翼剖面選取傳統(tǒng)的NACA66系列，該系列翼型具有較低的阻升比，能夠很大程度上減小由于流體黏性引起的功率損失。該攪拌槳葉的三維實(shí)體模型建立如圖1所示。

圖1 螺旋攪拌槳實(shí)體模型

2 螺旋攪拌槳流場(chǎng)計(jì)算模型

攪拌器內(nèi)的流場(chǎng)分為上循環(huán)流區(qū)、槳葉與排除流區(qū)和下循環(huán)流區(qū)。為了充分了解流場(chǎng)內(nèi)的流速分布及混合效果。本文采用三維模型進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬，攪拌介質(zhì)為工業(yè)廢油，屬于定常流動(dòng)，其連續(xù)性方程為：

式中 為介質(zhì)密度，u為流場(chǎng)速度。

運(yùn)動(dòng)方程為：

其中：

螺旋攪拌流場(chǎng)求解模型，采用Fluent中的動(dòng)參考系模型（Moving Reference Frame），在邊界條件設(shè)置時(shí)，首先設(shè)定螺旋攪拌槳周圍流體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，然后確定攪拌槳與罐內(nèi)流體同步轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。對(duì)建立的螺旋攪拌流場(chǎng)模型劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 螺旋攪拌槳的計(jì)算網(wǎng)格

3 螺旋攪拌槳流場(chǎng)數(shù)值模擬

應(yīng)用Fluent軟件，對(duì)螺旋攪拌槳流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解[8]。研究攪拌罐直徑為900mm，攪拌槳轉(zhuǎn)速為40r/min條件下流場(chǎng)的流速和壓強(qiáng)分布。將圖2建立的攪拌場(chǎng)網(wǎng)格以三維模式導(dǎo)入Fluent求解器，設(shè)置攪拌罐和攪拌槳之間流體區(qū)域的邊界條件，定義流體為工業(yè)廢油，設(shè)置流體區(qū)域的運(yùn)動(dòng)方式為轉(zhuǎn)動(dòng)，定義轉(zhuǎn)速為40r/min，通過(guò)迭代求解，得到了螺旋攪拌槳葉表面壓強(qiáng)分布及罐內(nèi)的流速分布。

圖3給出了螺旋攪拌槳轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)，槳葉表面的壓強(qiáng)分布，可以看出，螺旋攪拌槳表面壓強(qiáng)沿徑向逐漸增大，最大壓強(qiáng)發(fā)生在槳葉的最外端，為504Pa。由于過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)破壞油質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，所以攪拌槳工作轉(zhuǎn)速設(shè)置較低，槳葉承受的壓強(qiáng)較小。圖4給出了截面 處螺旋攪拌槳周圍的流速分布圖，流場(chǎng)流速沿著槳葉向罐的方向逐漸增大，最大流速為1.86m/s。

圖3 螺旋攪拌槳葉表面壓強(qiáng)分布

圖4 截面 螺旋攪拌槳速度場(chǎng)分布

4 螺旋攪拌槳靜力學(xué)分析

根據(jù)上節(jié)中得到的螺旋槳表面壓強(qiáng)分布，將螺旋槳實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中對(duì)槳葉進(jìn)行靜力學(xué)分析。螺旋攪拌槳材料選取為45鋼，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，有限元模型單元數(shù)為47303，節(jié)點(diǎn)數(shù)為11553，如圖5所示。根據(jù)流場(chǎng)模擬的結(jié)果，我們知道，螺旋攪拌槳在工業(yè)廢油場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其表面壓力沿槳徑方向逐漸增加，因此，這里將槳面沿槳徑方向分成4段，然后進(jìn)行載荷施加。螺旋槳的約束條件根據(jù)其實(shí)際工作工況，將攪拌軸進(jìn)行固定約束。在對(duì)螺旋攪拌槳約束和施加載荷后如圖6所示。

圖5 螺旋攪拌槳有限元網(wǎng)格模型

圖6 螺旋攪拌槳載荷和約束施加模型

通過(guò)對(duì)螺旋攪拌槳的有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算求解，螺旋槳槳面應(yīng)力分布如圖7所示，可以看出，整個(gè)螺旋攪拌槳所承受的應(yīng)力都很小，其中最大應(yīng)力為0.34Mpa，發(fā)生在軸和槳葉連接處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該槳所選材料的屈服極限，安全系數(shù)很高。這是由于計(jì)算的工況轉(zhuǎn)速為40r/min，轉(zhuǎn)速較低，因此，槳面所受的應(yīng)力也比較小。圖8給出了螺旋攪拌槳的位移變化圖，可以看出，螺旋攪拌槳位移變形沿槳徑方向逐漸增加，在槳沿處達(dá)到最大，其變化規(guī)律和槳葉所受的壓強(qiáng)變化規(guī)律相一致。

圖7 螺旋攪拌槳表面應(yīng)力分布

圖8 螺旋攪拌槳表面位移分布

5 結(jié)論

1）根據(jù)螺旋攪拌槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在確定其形狀參數(shù)基礎(chǔ)上，建立了螺旋攪拌槳的三維實(shí)體模型及流場(chǎng)數(shù)值模擬模型。

2）針對(duì)建立的螺旋攪拌槳流場(chǎng)模型，借助Fluent的動(dòng)參考系模塊，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到了螺旋槳表面的壓強(qiáng)分布及流場(chǎng)速度變化關(guān)系，槳面最大壓強(qiáng)發(fā)生在槳葉的最外端，為504Pa，流場(chǎng)最大流速為1.86m/s。

3）應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)螺旋攪拌槳進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了槳面的壓強(qiáng)分布和位移變形分布，驗(yàn)證了該螺旋攪拌槳結(jié)構(gòu)的可靠性。

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