秸稈螺旋擠壓脫水機葉片強度和變形的流固耦合分析

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(1.鄭州大學 化工與能源學院，鄭州　450001；2.生物質煉制技術與裝備河南省工程實驗室，鄭州　450001)

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秸稈螺旋擠壓脫水機葉片強度和變形的流固耦合分析

張龍龍1，賀李萍1，常春1,2，白凈1,2，陳俊英1,2，方書起1,2

(1.鄭州大學 化工與能源學院，鄭州450001；2.生物質煉制技術與裝備河南省工程實驗室，鄭州450001)

摘要：運用數值模擬方法，對秸稈螺旋擠壓脫水機進行了流固耦合模擬分析，建立了秸稈漿料的流體模型，用Fluent軟件模擬了不同出口壓力條件下，螺旋擠壓脫水機內部壓力場分布，并據此對螺旋擠壓脫水機的擠壓性能進行了分析。同時，通過Workbench -Fluent單向流固耦合的方式，對螺旋葉片的強度和變形進行了分析，得出了出口壓力和葉片強度的關系。

關鍵詞：秸稈；螺旋擠壓脫水機；流固耦合；強度分析

0引言

利用生物質原料制備燃料乙醇時，需要對原料進行預處理[1-2]。由于生物質原料的收集、運輸、粉碎等過程中極易混入砂土及金屬屑等雜物，如果直接送入后續設備容易造成設備的損壞[3-4]，因此需要對粉碎后的生物質原料進行水洗、脫水處理后再送入蒸汽爆破裝置或者酸、堿水解等后續設備。蒸汽爆破裝置對原料的含水率有一定的要求[5]，且研究表明進料的含水率對汽爆效果有重要的影響[6]，對脫水設備提出了更高的要求。目前，對螺旋擠壓脫水機的理論研究多集中在實驗方面[7-8]，模擬方面的研究較少，但模擬研究多數將流體原料定義為不可壓縮的水及瀝青等，且對螺旋葉片施加的載荷多是假定的定值載荷[9-10]，與實際情況相差較遠。

本文研究了一種自行設計的螺旋擠壓脫水機，采用變螺徑、變螺距和變軸徑的結構形式，如圖1所示。其主要幾何參數如下：螺旋葉片厚度取5mm;輸送段由2個螺距組成，螺距取135mm，軸徑取56mm，螺徑取110mm;壓縮段由3個螺距組成，螺距分別取120、100、80mm，末端軸徑取40mm，螺徑取80mm。

螺旋擠壓脫水機的設計產量為干料量2t/h，壓縮比為2.8，轉速為50 r/min。出口壓力(為防止蒸汽反噴的密封壓力)作為螺旋擠壓脫水機的一個重要參數，其改變必然會影響到設備內部的壓力場分布，也必然會對螺旋葉片的強度產生影響。本文運用Fluent軟件通過UDF建立了螺旋擠壓脫水機內可壓縮物料的流體模型，對螺旋擠壓脫水機內部壓力場進行了模擬與分析；同時，運用Workbench中流固耦合分析方法，將螺旋葉片所受壓力調入強度分析模塊，得到了螺旋葉片的應力分布和位移響應云圖，并得出了葉片強度和出口壓力的變化關系。

1.調速電機　2.減速器　3.進料倉

1用Fluent進行壓力場模擬

1.1定義流體物性

1)理論假設。為便于研究對內部流體特性做如下假設：①流動為定常流動，忽略重力；②流體為單相，可壓縮粘性流體，粘度為定值；③流體的密度沿軸向呈線性變化；④以流體密度的改變來反映實際流體的脫水效果。

2)可壓縮流體物性模型。結合Fluent軟件的功能特性和實驗測量結果，將流體的物性參數做以下設置：流體密度隨軸向線性增大，在螺旋軸壓縮比2.8的情況下，設置進口端密度為50kg/m3，出口端密度為350kg/m3。由于軟件中只有密度隨溫度的變化關系，實際情況是密度隨軸向位置逐漸增大，為此編輯了UDF程序，將物料溫度定義為隨軸向線性變化，密度隨溫度線性變化，從而使得密度沿軸向呈線性變化。查閱文獻[11]，設置流體的粘度為0.09Pa·s。

1.2建立物理模型及網格劃分

本文采用的螺旋擠壓脫水機為上部進料，螺旋末端出料，壓縮段為變螺徑、變螺距和變軸徑的螺旋葉片。流體區域和固體區域的實體模型如圖2所示。

圖2　三維實體建模

將三維實體模型分別導入ICEM軟件進行網格劃分，采用非結構四面體網格進行劃分，對葉片等形變劇烈部分進行了局部加密，對網格數量進行了優化，選取了流體區域49萬、固體區域39萬的網格。兩個區域的網格劃分如圖3所示。

圖3　模型網格劃分

1.3數學模型及邊界條件

描述流體在設備內部流動的方程包括連續方程、動量守恒方程和能量守恒方程[12]。

1)連性方程為

2)動量守恒方程為

3)能量守恒方程為

其中，fi為流體的質量力(N)；μ為流體的粘度系數(Pa·s)；k為傳熱系數[W/(m2·K))；ρ為流體密度(kg/m3)；ST為粘度耗散項(J/s)；T為溫度(K)；Cp為比熱容[J/(kg·K)]。

采用密度基穩態求解，數值計算采用標準k-ω模型下的低雷諾數適用模型，求解格式采用隱式Implicit格式，通量類型采用Roe-FDS，梯度求解采用Green-Gauss Node Based格式，流動等方程采用二階迎風格式，收斂精度為10-5。采用多參考坐標系模型MRF方法，定義動區域(流體區域中筒體內隨葉片轉動的流體部分)的流體相對與絕對坐標系旋轉運動，轉速為50r/min；定義螺旋面相對與動區域靜止，其他壁面采用無滑移固體壁面，所有壁面材料為鋼；根據表面粗糙度對照表，粗糙度設置為4.6×10-5m，粗糙度常數為0.5。采用質量流量進口邊界條件，流量為9t/h，壓力出口邊界條件、出口壓力分別是0.4、0.5、0.6、0.8MPa。

1.4壓力場分析

圖4為出口壓力分別是0.4、0.5、0.6、0.8MPa時設備內部壓力場分布云圖。

從圖4可以看出：壓縮段壓力逐漸增大，且最大壓力出現在壓縮段最后一個螺旋葉片處。這是因為隨著螺距間空間體積的逐步減小，螺旋流道逐漸變窄，流體體積不斷壓縮，流體抵御變形對螺旋葉片的反向作用力逐漸增大，在螺旋葉片末端流道最窄處達到最大壓力，螺旋葉片末端處的擠壓效果較好。提取了不同出口壓力Poutlet的情況下內部壓力場壓力的最大值Pmax進行比較，具體數據和趨勢如表1和圖5所示。對比數據和趨勢線圖可以看出：最大壓力值隨著出口壓力的增大基本上呈線性變化趨勢。這說明，出口壓力越大，相對應的物料所受到的壓力也越大，擠壓效果也越明顯。

圖4　4種出口壓力下的設備內部壓力場

圖5　不同出口壓力與最大壓力關系

Table 1The maximum pressure under different outlet pressureMPa

PoutletPmax0.40.580.50.72

續表1

2單向耦合強度分析

2.1定義材料參數及施加載荷

定義螺旋軸的材料為結構鋼，彈性模量為2e11Pa，泊松比為0.3。對螺旋軸的前后兩個圓形端面施加固定約束。葉片背部受力非常小，忽略不計，只加載Fluent計算結果中的流體區域中螺旋葉片主承壓面所對應的面受到的載荷。

2.2計算結果分析

圖6為出口壓力分別為0.4、0.5、0.6、0.8MPa時螺旋葉片應力分布云圖(單位：MPa)和位移響應云圖(單位：mm)。

圖6　4種出口壓力下螺旋軸的應力和位移

由應力分布云圖和位移響應云圖可以看出：受力較大的末端螺旋葉片其應力從葉片外沿到葉片根部呈增大趨勢，在葉片的根部位置達到最大值Fmax；其位移從葉片根部到葉片外沿呈增大趨勢，在葉片的外沿位置達到最大值Smax；壓縮段螺旋葉片根部是危險截面，特別是最后一個螺旋葉片末端的葉片根部，設計時應重點考察其強度。不同出口壓力Poutlet下的應力、位移最大值如表2所示，出口壓力與應力和位移的關系趨勢見圖7。

表2　同出口壓力下最大應力Fmax與最大位移Smax結果

圖7　不同出口壓力與最大應力、位移關系

對比數據和趨勢線圖可以看出：隨著出口壓力的增大，螺旋葉片所受到的最大應力基本呈線性增大趨勢，螺旋葉片所產生的最大應變也基本呈線性增大趨勢。這表明，隨著出口壓力的增大，增加了危險截面處的危險程度。因此，設計時應根據設計壓力重點考察。

3結論

1)螺旋擠壓脫水機輸送段只起到輸送流體的作用，沒有擠壓效果；壓縮段壓力逐漸增大，且最大壓力出現在壓縮段最后一個螺旋葉片處，螺旋葉片末端處的擠壓效果較好；最大壓力值隨著出口壓力的增大基本上呈線性變化趨勢，合理增大出口壓力能提高設備的擠壓脫水效果。

2)螺旋葉片其應力從葉片外沿到葉片根部呈增大趨勢，在葉片的根部位置達到最大值；其位移從葉片根部到葉片外沿呈增大趨勢，在葉片的外沿位置達到最大值；螺旋葉片根部是危險截面；隨著出口壓力的增大，螺旋葉片所受到的最大應力基本呈線性增大趨勢，螺旋葉片所產生的最大位移也基本呈線性增大趨勢。

參考文獻：

[1]楊娟，滕虎，劉海軍,等.纖維素乙醇的原料預處理方法及工藝流程研究進展[J].化工進展，2013,32(1)：97-103.

[2]Limayem A, Ricke S C. Lignocellulosic biomass for biothanol production: Current perspectives, potential issues and future prospects[J].Progress in Energy and Combustion Science,2012,38:449-467.

[3]顧張麗.連續式中壓蒸汽爆破預處理設備的研究[D].上海:華東理工大學，2013．

[4]嚴立婷.玉米秸稈預處理技術研究進展[J].中國釀酒，2008(20)：1-6．

[5]王鑫.蒸汽爆破預處理技術及其對纖維乙醇生物轉化的研究進展[J]. 林產化學與工業，2010，30(4):119-125.

[6]王許濤.生物纖維原料汽爆預處理技術與應用研究[D].鄭州：河南農業大學，2008.

[7]李鑫. 基于擠出理論的螺旋擠壓脫水機機理研究[D].北京：北京化工大學，2011.

[8]申江濤，吳德勝，趙明杰,等.KP-250螺旋擠壓式固液分離機的設計及試驗[J].農機化研究，2014,36(8):210-213.

[9]李博.新型螺旋擠壓過濾機的研究[D].北京:北京化工大學，2009.

[10]楊歡，戴凌漢.擠壓過濾設備雙螺桿的有限元分析[J].過濾與分離，2011,21(2)：26-28.

[11]閆軍.秸稈連續擠出蒸汽爆破處理的機理研究[D].北京：北京化工大學，2009.

[12]陶文銓. 數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2003:347-360.

Fluid-solid Coupling Analysis of Blade Strength and Deformation in Screw Extruder of Straw

Zhang Longlong1, He Liping1, Chang Chun1,2, Bai Jing1,2, Chen Junying1,2, Fang Shuqi1,2

(1.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001 China；2.Engineering Laboratory of Henan Province for Biorefinery Technology and Equipment, Zhengzhou 450001, China)

Abstract：Using numerical simulation method for fluid-solid coupling simulation analysis of screw extruder of straw,a fluid model of straw slurry is established, Fluent has been used to study internal distribution of pressure field of screw extruder of straw under different outlet pressure, accordingly extrusion performance of screw extruder has been analyzed.Workbench-Fluent unidirectional fluid-solid coupling mode has been used to analyze the strength and deformation of spiral blade , the relationship between outlet pressure and blade strength is obtained.

Key words：straw; screw extruder; fluid-solid coupling; strength analysis

文章編號：1003-188X(2016)02-0026-05

中圖分類號：S226.7；TQ022.4

文獻標識碼：A

作者簡介：張龍龍(1988-)，男，河南洛陽人，碩士研究生。通訊作者：方書起(1964-)，男，山東冠縣人，教授，(E-mail)fangsq@zzu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(21176227)

收稿日期：2015-01-30