双轴混合机桨叶结构改进及数值模拟研究

圆园19年9月机械设计与制造

酝葬糟澡蚤灶藻则赠阅藻泽蚤早灶驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻9双轴混合机桨叶结构改进及数值模拟研究

盛玉龙袁武凯袁孙宇袁周迟

渊南京理工大学机械工程学院袁江苏南京210094冤

摘要：利用FLUENT软件的多参考系渊MRF冤及标准的湍流模型袁对双轴桨叶式混合机进行数值模拟袁研究了混合机在

不安装小桨叶尧在撑杆上安装小桨叶以及在轴上安装小桨叶这三种情况下混合机的混合效果遥结果表明院在撑杆上安装小桨叶可以使混合时间降低幅度达到56.45%袁单位体积混合能降低为原来的44%袁同时混合均匀度尧混合稳定性也得到了提高曰而在轴上安装小桨叶的混合时间与不安装小桨叶几乎相同袁混合效率没有得到明显改善袁只是混均匀度略有提高遥在撑杆上安装小桨叶与原有大桨叶组成大小桨叶双层桨叶结构对改善双轴桨叶式混合机的混合效率袁降低混合时间和提高混合均匀度具有重要的实用价值遥关键词：小桨叶；混合机；混合时间；混合效率；CFD中图分类号：TH16曰S969.42文献标识码院A

文章编号院员园园员-3997渊圆园19冤09-0009-04

TheResearchonBladeStructureImprovementand

NumericalSimulationofDoubleMixer

渊SchoolofMechanicalEngineering袁NanjingUniversityofScienceandTechnology袁JiangsuNanjing210094袁China冤粤遭泽贼则葬糟贼：NumericalsimulationofthetwinshaftpaddlemixerhasbeendonebyusingthesoftwareofFLUENTonmultireferencesystem渊MRF冤andthestandardturbulencemodeltoresearchtheeffectofthemixingmachinewithoutinstallingsmallblade袁installingsmallbladesinthebarandinstallingsmallbladesontheshaft.Theresultsshowthattheinstallationofsmallbladesinthebarcanmakethemixingtimereducedby56.45%袁theunitvolumemixingenergycanbereducedto44%袁andthemixinguniformity袁mixingstabilityhadalsobeenimproved曰themixingtimeofinstallingsmallbladesontheshaftandwithoutinstallingsmallbladearealmostthesame袁themixingefficiencyhasnotbeenimprovedsignificantly袁onlythemixinguniformityhasbeenslightlyimproved.Installingsmallbladesinthebarwiththeoriginallargebladeformadoublebladestructurehasimportantpracticalvaluetoimprovemixingefficiency袁reducethemixingtimeandimprovethemixinguniformityofthetwinshaftpaddlemixer.

KeyWords院SmallBlade曰Mixer曰MixingTime曰MixingEfficiency曰CFD

SHENGYu-long袁WUKai袁SUNYu袁ZHOUChi

1引言

理组合曰文献[6]采用试验方式对影响翻转式双轴桨叶式混合机混合均匀度的三个因素进行了分析袁得出了各因素水平间的最佳组合工艺曰文献[7]利用三维有限元的模拟仿真袁对剪切率尧速率等数据进行了分析袁对双轴搅拌机的浆叶做了创新袁新型浆叶极大地提高了混合组分的轴向流速和剪切率曰文献[8]用离散元软件渊DEM冤对犁铧式混合机中微粒的混合过程进行模拟袁从而分析实验机的混合性能袁采用更接近真实微粒形状和物理参数的仿真颗粒来进行模拟袁得出了微粒形状参数对模拟混合过程十分重要的结论曰文献[9]利用CFD对轴流式混合机进行了几何优化袁成功达到了降低流动阻力的目的遥并且得到了实验的验证曰文献[10]基于CFD方法对铰链桨叶式混合机和静态混合机的混合效果进行了

混合设备是饲料行业关键设备之一遥随着饲料工业的迅猛

发展袁饲料行业对混合设备的要求越来越高袁双轴桨叶式混合机以其独特的混合方式袁具有生产效率高尧混合能力强尧且不损伤物料原有特性袁混合时间短渊30耀120冤s/批尧混合均匀度高尧残留量小尧电耗小等优点[1-2]袁在国内外市场上有很高的占有率遥

国内外学者采用数值模拟的方法进行了大量的混合机研究工作遥文献[3]采用CFD技术研究了DT和PTU型桨叶搅拌器内的湍流场袁结果表明DT桨叶较PTU型桨叶与LDV测试值吻合的更好曰文献[4-5]深入研究了双轴卧式全混合日粮混合机的混合机理袁并采用正交旋转组合试验方式得出了其结构与运动参数的合

来稿日期：2019-01-17基金项目：国家工程技术研究中心计划渊2012FU125Q06冤作者简介：盛玉龙袁渊1991-冤袁男袁内蒙人袁硕士研究生袁主要研究方向院机械制造及其自动化曰

武凯袁渊1972-冤袁男袁山西人袁博士研究生袁博士生导师袁教授袁主要研究方向院先进机械制造工艺技术与装备

10盛玉龙等院双轴混合机桨叶结构改进及数值模拟研究第9期

比较袁应用Fluent软件对两种混合器的流场尧压力损失尧湍流强度等进行分析袁从而得出了这两种混合机在不同方面的优劣遥文献[11]对穿流式搅拌槽内流场进行了数值模拟袁说明CFD方法可以用于穿流式搅拌槽的优化设计遥

目前国内学者对混合机研究大多采用依据试验的方法袁存在研发周期长袁耗费费用大且效果不理想等缺点遥国外学者采用于CFD结构的设方计法袁对而采混合用机的CFD研究技术较多对袁双但轴多桨是叶针式对高效单轴混并合且机是进主要用

行研究的很少遥

提出了在撑杆上和在轴上添加小桨叶的改进方案袁并通过机CFD2混基合性能的数值模拟本原影技术理

响袁研究为进小一桨步改叶在进混混合合机机中不同安性能提供理论依据装位置对遥混合

2.1流体力学模型

混合机内部的流场以湍流为主袁物料假设为不可压缩流体遥标准的k-着模型是解决湍流问题中目前使用最为广泛的湍流模型遥在标准模型中袁湍动能k和耗散率着是两个基本的未知量袁与之对应的控制方程为院

坠渊坠籽tk冤+渊坠籽坠kuxi冤坠滋+i=坠xi滓滋t坠坠kk

xi

+Gk

-籽着

渊1冤

坠渊i蓘蓸蔀蓡坠籽着t冤+渊坠籽着u冤1着i

=坠G2

坠x坠xti

着

j

kk-C2着籽着k渊2冤

式中院滋i要时均速度曰滓k尧滓着要与湍动能k和耗散率着对应的普朗

特数袁滓k的产生项=1袁滓蓘蓸滋+滓滋蔀坠着坠x蓡+C着=1.3曰Gk要由平均速度梯度引起的湍动能k

G坠u袁它的表达式为院

k=滋t

坠xii+坠坠uxj坠uij坠x曰C蓸i

是经验常蔀数袁C2.2混合均匀度

1着袁C2着1着=1.44袁C2着=1.92遥

目前公认的科学地表达混合均匀度的方法是用统计学上的

变异系数[5]袁即CV渊%冤值遥一般要求CV<5%[12]遥其表达式为院

CV=S軃x伊100%n

渊3冤

式中院軃x要所测样品的平均值袁軃x=1n3量袁为xi测得的移i=1

xi曰S要所测样品的标准差遥其中袁n要样品数第i个样品中检测组含量遥

3.1混混合机三合机数维值模型分析的建立

模型的建立

本次分析的混合机机箱圆周半径为530mm袁长为760mm袁桨叶外圆周半径为500mm袁撑杆间距为230mm袁撑杆距离轴端为桨150mm叶遥轴端袁两轴轴部桨心距叶为方为1100mm形袁另外袁两撑对杆柱为楔体形长遥为方500mm形桨叶遥与共三轴线对平大

行袁楔形桨叶与轴向成45毅袁建立三维模型袁如图1渊a冤所示遥

结构优化院对现有的混合机进行数值模拟发现在传动轴附近的物料流速较慢袁混合速度低袁所以提出两种优化方案以提高大桨叶与传动轴之间这一区域物料的混合速度和混合均匀度遥方案一为在每根撑杆上添加一对小桨叶袁如图1渊b冤所示遥方案二为在轴上添加小桨叶袁如图1渊c冤所示遥

大桨叶渊a冤无小桨叶

小桨叶渊b冤小桨叶位于撑杆上

小桨叶渊c冤小桨叶位于轴上

3.2网格划Fig.1分

The图Model1双of轴桨the叶Twin式混合Shaft机模型

PaddleMixer

将SolidWorks建立好的实体模型转化为IGES文件导入到

合ICEM机分为CFD三软件个区中域进袁包行括网两格个划转分动袁混区合域和机中建立一个静止两区个域圆遥柱其中转面将混

动区域采用非结构网格袁静止区域采用结构网格遥各模型的转子网格袁如图2所示遥

渊a冤无小桨叶

渊b冤撑杆上有小桨叶渊c冤轴上有小桨叶

图2混合机转子网3.3求解计算

Fig.2MeshingofMixer格模型Rotor

采用ANSYSFLUENT15.0袁求解器选择压力基尧绝对速度求解方式为瞬态袁不考虑重力的影响曰两相流模型采用混合物模型渊Multiphase冤袁湍流模型为标准的k-着模型遥开启组分运输模型渊Species冤袁不激活反应项遥混合物包含气固两相袁其中气相渊空气冤

No.9

Sept.2019

机械设计与制造

11

密度为1.225kg/m3袁粘度为1.7894伊10-51.5kg/m3袁粘度为1.2Pa窑S遥边界条件院由Pa于窑S网袁固格相划渊分饲料采用冤两密种度为

网格袁混合机被分为三个区域院两个转动区域袁一个静止区域遥三个区域之间采用interface面进行数据传递袁其余各面均为wall边界遥通过数值模拟得到不同工况下的力矩M和混合时间兹m袁进而计算出混合功率和混合效率[13]遥常用单位体积的混合能Wr表示混合效率遥混合时间采用95%规则袁即当所有示踪剂监测点都打到最终浓度的渊100依5冤%时袁该时间即为混合时间袁用兹m表示遥混合功率计算公式为院P=M棕=2仔NM/60

渊4冤式中院M要扭矩曰棕要角速度曰N要转子的转速袁这里所采用20r/m遥混合效率计算公式为院Wr=Pr窑兹m渊5冤

式中院Pr要单位体积混合功率袁Pr=P/V袁V要混合机体积袁混合机体

积为1.6m3遥

3.4监测点设置

为了合理监测混合机的混合效果袁设置6个监测点位袁各点位坐标袁如表1所示遥在混合机中的空间位置袁如图3所示遥其中左侧三个点位于混合机左下侧袁由外至里分别为院监测点1尧监测点2尧监测点3袁与轴的距离依次递减遥右侧三个监测点位于混合机里测袁由外至里分别为监测点4尧监测点5尧监测点6袁距离轴的距离依次递增遥

表1各监测点坐标

Tab.1TheCoordinatesofMonitoringPoints

监测点坐标渊mm冤点1渊1400袁-300,190冤点2渊1300袁-200,380冤点3渊1200袁-100,570冤点4渊100,100,190冤点5渊200,200,380冤点6

渊300,300,570冤

YX

Z

Fig.3Position图3监of测3.5示踪剂设置

Monitoring点位置

Points

采用加入示踪剂监测示踪剂在各个监测点的浓度的方法来判断混合机混合效果和计算混合时间遥示踪剂的加入位置坐标为550袁250袁380冤袁位于混合机两转动区域中心位置遥示踪剂为球体4袁其半径仿真为结0.1m果遥及分析

材料与物料保持一致遥

4.1数值模拟结果统计计算及分析

无小桨叶尧小桨叶安装在撑杆上以及小桨叶安装在轴上三种工况下双轴桨叶式混合机混合速度尧混合效率以及混合均匀度的统计情况袁如表2所示遥各监测点的混合时间在三种工况下的统计情况袁如表3所示遥

表2不同模型统计数据

Tab.2TheStatisticalDataofDifferentModels

小桨叶安混合装位置兹时间M力/N矩窑m混合功单位混合能m率P/WWr/J窑m-3混合均匀度

系数CV/%不安装62.5/s21.6845.381772.7923.38撑杆27.221.9245.88780.05972.1轴

67

21.945.841919.718

2.6

表3不同监测点混合时间统计数据Tab.3TheDifferentMixingMonitoringTimeStatisticalPoints

Dataat

监测点位无小桨叶兹m点134.3/s撑杆上安装17.2小桨叶兹m/s轴上安装26.8小桨叶兹m/s点253.915.452.2点362.527.267点449.121.846.4点550.51949.4点650.518.448

混合速度分析院由表2可知袁在撑杆上安装小桨叶使得混合时间由62.5s降低到27.2s袁降低幅度达到了56.45%袁不及原来混合时间的一半袁而在轴上安装小桨叶则与无小桨叶安装的混合时间几乎相同袁并未提高混合速度遥

表3所给出为各个监测点达到最终浓度渊100依5冤%时所用的时间袁撑杆上安装小桨叶相对于无桨叶安装的六个监测点混合时间分别降低了49.9%尧71.4%尧56.4%尧55.6%尧62.3%尧63.6%遥这反映出各点的混合时间降幅巨大袁尤其是对于监测点2尧监测点5尧监测点6的混合速度的改善十分明显遥轴上安装小桨叶相对于无桨叶安装的六个监测点混合时间分别降低了21.9%尧3.1%尧-7.2%尧本5.4%没有尧2.1%影响尧遥4.9%混合遥进效率一步分析说明院由了在于在轴撑上杆安上装安桨装叶小对于桨叶使混合速得混度基

合时间降低袁从而使得单位体积混合能由1772.792J窑m-3降低为780.0597体积混合能J窑m-3袁降低为原来的44%袁而在轴上安装小桨叶的单位为1919.718J窑m-3袁与无小桨叶安装相比未得到改善袁甚至还略有增加遥

混合均匀度分析院从表2可以看出袁在撑杆上安装小桨叶时混合机的CV值为2.1袁在轴上安装小桨叶时混合机的CV值为

2.6知小袁相桨较叶于的无增加桨叶可安以装提时高混混合合机质量的袁CV在值撑3.38杆上有安所装降小低桨袁叶由的此CV

可值最低袁混合均匀度最好遥

4.2不同监测点示踪剂浓度变化

不同混合机统一监测点的浓度变化曲线袁如图4所示遥该图反映了同一监测点在不同环境中的浓度变化情况袁从图中可以看出撑杆上安装小桨叶的混合机在各个监测点都是最先达到平稳状态的袁这说明小桨叶的安装不仅促进了传动轴附近的物料混合速度袁而且对混合机整体的流动和混合速度都有明显的促进效果遥而轴上安装桨叶虽然也有小幅度改善袁但是整体与无小桨叶安装一致袁对监测点浓度变化率几乎没有提升曰此外袁在无小桨叶安装时袁监测点2尧5尧6的浓度变化波动很大袁这与混合机内部流动有关袁而撑杆上加上小桨叶的浓度变化就平稳很多袁这说明小桨叶的增加可以使不仅可以提高浓度变化速率袁而且可以提高流动的稳定性遥而在轴上安装小桨叶则不能改善浓度的波动遥

渊12

机械设计与制造

No.9Sept.2019

0.008无小桨叶

撑杆上安装小桨叶0.006轴上安装小桨叶

0.0040.0020.000

-25

0

25

50

75时间100/s

125150175200渊a冤监测点1

0.006无小桨叶

撑杆上安装小桨叶轴上安装小桨叶

0.0040.0020.000

-250

25

50

75时间100/s

125150175200渊b冤监测点2

0.006无小桨叶

0.005撑杆上安装小桨叶轴上安装小桨叶

0.0040.0030.0020.0010.000

-25

0

2550

75时间100/s

125150175200渊c冤监测点3

0.012无小桨叶

0.010撑杆上有小桨叶0.008轴上有小桨叶

0.0060.0040.002-0.0020.000

-25

0

25

50

75时间100/s

125150175200

渊d冤监测点4

0.0120.010无小桨叶

撑杆上有小桨叶0.008轴上有小桨叶

0.0060.0040.002-0.0020.000

-25

0

2550

75时间100/s

125150175200渊e冤监测点5

0.0180.016无小桨叶

0.014撑杆上有小桨叶0.012轴上有小桨叶

0.0100.0080.0060.0040.002-0.002

0.000-25

02550

75渊f冤监测时点间1006

/s

125150175200Fig.4图The4不同模型中各监测点浓5结论

MonitoringConcentration度变化曲线PointinChangeDifferentCurveModels

ofEach

通过改进混合机转子结构袁比较了在撑杆上安装小桨叶以

及在轴上安装小桨叶相对于无小桨叶混合机混合性能的改变情况遥结果表明院小桨叶安装在撑杆上可以大幅降低混合时间袁降低幅度达到了56.45%袁并且大幅降低单位体积混合能袁降低为原来的44%袁同时混合均匀度也得到提高曰而小桨叶安装在轴上的混合时间与不安装小桨叶几乎相同袁混合效率没有得到明显改善袁

只是混均匀度略有提高遥在撑杆上安装小桨叶与原有大桨叶组成大小桨叶双层桨叶结构对改善双轴桨叶式混合机的混合质量袁降低混合时间和提高混合均匀度具有重要的实用价值遥

参考文献

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inaoperatingtwinscrewconditi-mixer（下转第16页）

咱咱咱咱咱咱咱16机械设计与制造

No.9Sept.2019

工钻为之后的复频超声加工实验提供了实验装置袁并为超声理论的研究做出了一定的贡献遥

参考文献

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图6模型二模态分析

Fig.6ModalAnalysisofModal2

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取钻杆伸出变幅杆长度的中间值129mm袁同样进行有限元模态分析袁得到振动频率为20682Hz袁误差为3.41%遥将三次分析的结果制作成图表进行观察袁如图7所示遥发现在一定范围内钻杆的振动频率随钻杆伸出变幅杆长度的增大而减小袁基本呈直线上升袁超声钻的振动频率在20000Hz左右袁符合实验要求的频率范围遥

2080020750207002065020600

125

126

127128129130131132133钻杆伸出变幅杆的长度渊L/mm冤

lingdevice咱J暂.Vibration袁MeasurementandDiagnosis袁2013袁33渊2冤院252-theultrasonic/sonicdriller/corer渊USDC冤咱J暂.ProceedingsoftheSPIESmartStructuresandMaterialsSymposium袁1999院647-651.jing院SciencePress袁1987.冤2013渊11冤院60-61.

咱6暂BaoXiao-qi袁ChangZen-sheu.StewartSherrit.Analysisandsimulationof

6结论

图7频率分别图

Fig.7FrequencyDistributeMap

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rasonichorn咱J暂.MechanicalDesignandManufacture袁2013渊11冤院60-61.冤

渊1冤设计了一种放大系数Mp为5.24的圆锥形过渡阶梯形

变幅杆以及内部可以放置球形自由质量块的复频超声加工钻遥渊2冤通过对复频超声钻的有限元分析袁得到了其模态分析的振动频率袁在20000Hz左右袁误差在3.41%左右袁约5%袁满足实验规定的频率范围遥渊3冤通过对复频超声钻模态频率的分析袁发现了在一定范围内袁超声钻的振动频率随钻杆伸出变幅杆端长度的增大而减小袁基本呈直线下降遥根据变幅杆设计原理袁设计了圆锥形过渡的阶梯形变幅杆用于复频超声钻中袁并计算了详细的变幅杆尺寸和参数遥进一步设计了内部可以放置球形自由质量块的复频超声加工钻袁并对该复频超声钻进行了有限元的模态分析袁得到了其振动频率的范围和误差值袁以及一定的规律遥设计的复频超声加

咱10暂王时英袁吕明袁轧刚.圆锥过渡复合变幅杆动力学特性研究咱J暂.太原

理工大学学报袁2007渊2冤院95-97.

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ticsofconicaltransitioncompoundhorn咱J暂.JournalofTaiyuanUniver-

（上接第12页）

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