基于流固耦合的搅拌系统振动特性研究

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搅拌设备在食品、化工、造纸、冶金、石油等工业领域应用广泛,且其搅拌操作大多为机械搅拌。搅拌轴及搅拌器整体构成的搅拌结构作为机械搅拌操作的主体,其振动现象对于设备的寿命和安全生产是一个很大的威胁,轻则造成停产,重则发生安全事故。这就迫切地要求对搅拌结构的动态特性进行研究,作为设计工作转速和结构优化的有力依据。  本文主要应用ANSYS/workbench分析软件和LMS Test.Lab测试软件相结合的方法来对搅拌结构的振动特性进行对比分析,为搅拌结构的设计优化和安全生产提供参考依据。利用Proe三维建模软件建立了搅拌反应器简化模型和反应器内部流场模型,考虑搅拌轴高速旋转产生的离心力,在FLUENT和ANSYS/workbench分析软件基础上,基于流固耦合理论对搅拌结构进行预应力模态分析,得到搅拌结构的模态参数和第一阶临界转速,并与《搅拌与混合设备设计选用手册》计算得到的搅拌轴临界转速进行对比。采用振动测试系统LMS Test.Lab中的捶击模块对某一实验用六弧叶圆盘涡轮搅拌结构进行自由状态和约束状态两种情况下的模态分析,得到搅拌结构的低阶模态固有频率和模态振型,与模态综合法仿真获取的模态参数进行对比分析。  经仿真和设计手册计算比较得到两种情况下的搅拌结构临界转速相对误差较小为2.8%,可看出仿真结果相对可靠,为搅拌结构工作转速设计提供参考依据。六弧叶圆盘涡轮搅拌结构的试验和仿真模态分析对比可看出:自由和约束两种状态下得到的各阶固有频率值分别较接近,自由状态时试验和仿真相对误差在11.2%以内,固定约束时相对误差在14.2%以内,且两种约束方式下仿真和试验得到的模态振型基本保持一致,表明仿真分析结果及搅拌结构有限元模型相对可靠,为之后的搅拌结构优化设计提供参考依据。
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