化工进展 ›› 2023, Vol. 42 ›› Issue (4): 1728-1738.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1176
张成松1(), 张静1,2, 龚斌1(
), 李明洋1, 袁佳新1, 李宏业1
收稿日期:
2022-06-23
修回日期:
2022-09-19
出版日期:
2023-04-25
发布日期:
2023-05-08
通讯作者:
龚斌
作者简介:
张成松(1996—),男,硕士研究生,研究方向为化工过程强化。E-mail:595311464@qq.com。
基金资助:
ZHANG Chengsong1(), ZHANG Jing1,2, GONG Bin1(
), LI Mingyang1, YUAN Jiaxin1, LI Hongye1
Received:
2022-06-23
Revised:
2022-09-19
Online:
2023-04-25
Published:
2023-05-08
Contact:
GONG Bin
摘要:
为了研究工况对新型自吸射流柔性搅拌桨的影响,运用实验和单向流固耦合数值模拟分析了装置的搅拌功耗、搅拌桨应力分布和振动特性。结果表明,相同工况下柔性Rushton搅拌桨的功率准数比自吸射流柔性搅拌桨高121.93%,并随Reynolds数的提高而减小。自吸射流柔性搅拌桨在支架与桨叶连接处应力最高,在本文研究范围内最大应力低于材料的许用应力。对自吸射流柔性搅拌桨在静模态和预应力模态下的固有频率和振型进行对比分析,两种模态前8阶为弯曲型,后4阶为扭变型;与静模态相比,预应力模态下固有频率和振型最大值的最大偏差分别为0.25%和27.56%。随着搅拌桨的转速和介质运动黏度提高,搅拌桨预应力模态固有频率增大,但同阶固有频率增长比变化较小。自吸射流柔性搅拌桨搅拌效率优势明显,本研究为多种工况下搅拌桨的强度和稳定性提供基础数据。
中图分类号:
张成松, 张静, 龚斌, 李明洋, 袁佳新, 李宏业. 自吸射流柔性搅拌桨振动特性[J]. 化工进展, 2023, 42(4): 1728-1738.
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流体介质 | 介质运动黏度ν/m2·s-1 | 搅拌转速N/r·min-1 | 雷诺数Re |
---|---|---|---|
水 | 1.005×10-6 | 60~300 | 22392~111962 |
甘油质量分数70% | 1.943×10-5 | 120,240 | 2316.1,4632.1 |
甘油质量分数80% | 4.958×10-5 | 120 | 907.71 |
甘油质量分数90% | 1.771×10-4 | 120 | 254.13 |
甘油质量分数100% | 1.118×10-3 | 120 | 40.261 |
表1 流体物性参数及搅拌转速和雷诺数
流体介质 | 介质运动黏度ν/m2·s-1 | 搅拌转速N/r·min-1 | 雷诺数Re |
---|---|---|---|
水 | 1.005×10-6 | 60~300 | 22392~111962 |
甘油质量分数70% | 1.943×10-5 | 120,240 | 2316.1,4632.1 |
甘油质量分数80% | 4.958×10-5 | 120 | 907.71 |
甘油质量分数90% | 1.771×10-4 | 120 | 254.13 |
甘油质量分数100% | 1.118×10-3 | 120 | 40.261 |
阶数 | fd/Hz | fw/Hz | [(fw-fd)/fd]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 81.086 | 81.125 | 0.05 |
第2阶 | 81.094 | 81.192 | 0.12 |
第3阶 | 81.106 | 81.218 | 0.14 |
第4阶 | 81.129 | 81.283 | 0.19 |
第5阶 | 88.855 | 88.975 | 0.14 |
第6阶 | 88.889 | 89.098 | 0.24 |
第7阶 | 88.894 | 89.100 | 0.23 |
第8阶 | 88.912 | 89.131 | 0.25 |
第9阶 | 217.980 | 217.970 | -0.01 |
第10阶 | 218.200 | 218.250 | 0.02 |
第11阶 | 220.100 | 220.080 | -0.01 |
第12阶 | 220.350 | 220.430 | 0.04 |
表2 自吸射流柔性搅拌桨静模态和预应力模态前12阶固有频率结果比较(N=120r/min,介质为水)
阶数 | fd/Hz | fw/Hz | [(fw-fd)/fd]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 81.086 | 81.125 | 0.05 |
第2阶 | 81.094 | 81.192 | 0.12 |
第3阶 | 81.106 | 81.218 | 0.14 |
第4阶 | 81.129 | 81.283 | 0.19 |
第5阶 | 88.855 | 88.975 | 0.14 |
第6阶 | 88.889 | 89.098 | 0.24 |
第7阶 | 88.894 | 89.100 | 0.23 |
第8阶 | 88.912 | 89.131 | 0.25 |
第9阶 | 217.980 | 217.970 | -0.01 |
第10阶 | 218.200 | 218.250 | 0.02 |
第11阶 | 220.100 | 220.080 | -0.01 |
第12阶 | 220.350 | 220.430 | 0.04 |
阶数 | Ad/mm | Aw/mm | [(Aw-Ad)/Ad]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 1488.40 | 1689.30 | 13.50 |
第2阶 | 1334.20 | 1634.20 | 22.49 |
第3阶 | 1274.80 | 1626.10 | 27.56 |
第4阶 | 1380.00 | 1680.80 | 21.80 |
第5阶 | 1714.40 | 1714.40 | 0.00 |
第6阶 | 1554.70 | 1712.30 | 10.14 |
第7阶 | 1554.70 | 1714.90 | 10.30 |
第8阶 | 1714.60 | 1712.60 | -0.12 |
第9阶 | 923.00 | 885.68 | -4.04 |
第10阶 | 837.02 | 870.17 | 3.96 |
第11阶 | 878.82 | 882.53 | 0.42 |
第12阶 | 801.12 | 866.16 | 8.12 |
表3 自吸射流柔性搅拌桨静模态和预应力模态前12阶振型最大值结果比较(N=120r/min,介质为水)
阶数 | Ad/mm | Aw/mm | [(Aw-Ad)/Ad]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 1488.40 | 1689.30 | 13.50 |
第2阶 | 1334.20 | 1634.20 | 22.49 |
第3阶 | 1274.80 | 1626.10 | 27.56 |
第4阶 | 1380.00 | 1680.80 | 21.80 |
第5阶 | 1714.40 | 1714.40 | 0.00 |
第6阶 | 1554.70 | 1712.30 | 10.14 |
第7阶 | 1554.70 | 1714.90 | 10.30 |
第8阶 | 1714.60 | 1712.60 | -0.12 |
第9阶 | 923.00 | 885.68 | -4.04 |
第10阶 | 837.02 | 870.17 | 3.96 |
第11阶 | 878.82 | 882.53 | 0.42 |
第12阶 | 801.12 | 866.16 | 8.12 |
阶数 | fw120 | fw180 | fw240 | fw300 |
---|---|---|---|---|
第1阶 | 81.125 | 81.175 | 81.254 | 81.364 |
第2阶 | 81.192 | 81.242 | 81.322 | 81.425 |
第3阶 | 81.218 | 81.260 | 81.345 | 81.447 |
第4阶 | 81.283 | 81.325 | 81.410 | 81.517 |
第5阶 | 88.975 | 89.205 | 89.559 | 90.012 |
第6阶 | 89.098 | 89.297 | 89.632 | 90.014 |
第7阶 | 89.100 | 89.306 | 89.649 | 90.018 |
第8阶 | 89.131 | 89.337 | 89.677 | 90.080 |
第9阶 | 217.970 | 217.980 | 217.990 | 218.010 |
第10阶 | 218.250 | 218.260 | 218.280 | 218.310 |
第11阶 | 220.080 | 220.100 | 220.130 | 220.170 |
第12阶 | 220.430 | 220.450 | 220.480 | 220.530 |
表4 转速对搅拌桨固有频率的影响(介质为水) (Hz)
阶数 | fw120 | fw180 | fw240 | fw300 |
---|---|---|---|---|
第1阶 | 81.125 | 81.175 | 81.254 | 81.364 |
第2阶 | 81.192 | 81.242 | 81.322 | 81.425 |
第3阶 | 81.218 | 81.260 | 81.345 | 81.447 |
第4阶 | 81.283 | 81.325 | 81.410 | 81.517 |
第5阶 | 88.975 | 89.205 | 89.559 | 90.012 |
第6阶 | 89.098 | 89.297 | 89.632 | 90.014 |
第7阶 | 89.100 | 89.306 | 89.649 | 90.018 |
第8阶 | 89.131 | 89.337 | 89.677 | 90.080 |
第9阶 | 217.970 | 217.980 | 217.990 | 218.010 |
第10阶 | 218.250 | 218.260 | 218.280 | 218.310 |
第11阶 | 220.080 | 220.100 | 220.130 | 220.170 |
第12阶 | 220.430 | 220.450 | 220.480 | 220.530 |
阶数 | [(fw180-fw120)/fw120]/% | [(fw240-fw180)/fw180]/% | [(fw300-fw240)/fw240]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 0.062 | 0.097 | 0.135 |
第2阶 | 0.062 | 0.098 | 0.127 |
第3阶 | 0.052 | 0.105 | 0.125 |
第4阶 | 0.052 | 0.105 | 0.131 |
第5阶 | 0.258 | 0.397 | 0.506 |
第6阶 | 0.223 | 0.375 | 0.426 |
第7阶 | 0.231 | 0.384 | 0.412 |
第8阶 | 0.231 | 0.381 | 0.449 |
第9阶 | 0.005 | 0.005 | 0.009 |
第10阶 | 0.005 | 0.009 | 0.014 |
第11阶 | 0.009 | 0.014 | 0.018 |
第12阶 | 0.009 | 0.014 | 0.023 |
表5 转速增长范围对固有频率增长比的影响(介质为水)
阶数 | [(fw180-fw120)/fw120]/% | [(fw240-fw180)/fw180]/% | [(fw300-fw240)/fw240]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 0.062 | 0.097 | 0.135 |
第2阶 | 0.062 | 0.098 | 0.127 |
第3阶 | 0.052 | 0.105 | 0.125 |
第4阶 | 0.052 | 0.105 | 0.131 |
第5阶 | 0.258 | 0.397 | 0.506 |
第6阶 | 0.223 | 0.375 | 0.426 |
第7阶 | 0.231 | 0.384 | 0.412 |
第8阶 | 0.231 | 0.381 | 0.449 |
第9阶 | 0.005 | 0.005 | 0.009 |
第10阶 | 0.005 | 0.009 | 0.014 |
第11阶 | 0.009 | 0.014 | 0.018 |
第12阶 | 0.009 | 0.014 | 0.023 |
阶数 | fw0.7 | fw0.8 | fw0.9 | fw1.0 |
---|---|---|---|---|
第1阶 | 81.212 | 81.264 | 81.405 | 81.838 |
第2阶 | 81.240 | 81.276 | 81.418 | 81.857 |
第3阶 | 81.264 | 81.298 | 81.430 | 81.873 |
第4阶 | 81.308 | 81.338 | 81.452 | 81.893 |
第5阶 | 89.034 | 89.086 | 89.219 | 89.492 |
第6阶 | 89.053 | 89.097 | 89.226 | 89.504 |
第7阶 | 89.140 | 89.175 | 89.305 | 89.520 |
第8阶 | 89.159 | 89.198 | 89.320 | 89.529 |
第9阶 | 218.200 | 218.240 | 218.320 | 218.420 |
第10阶 | 218.250 | 218.310 | 218.430 | 218.590 |
第11阶 | 220.310 | 220.390 | 220.510 | 220.660 |
第12阶 | 220.520 | 220.610 | 220.720 | 220.850 |
表6 介质运动黏度对搅拌桨固有频率的影响(N=120r/min) (Hz)
阶数 | fw0.7 | fw0.8 | fw0.9 | fw1.0 |
---|---|---|---|---|
第1阶 | 81.212 | 81.264 | 81.405 | 81.838 |
第2阶 | 81.240 | 81.276 | 81.418 | 81.857 |
第3阶 | 81.264 | 81.298 | 81.430 | 81.873 |
第4阶 | 81.308 | 81.338 | 81.452 | 81.893 |
第5阶 | 89.034 | 89.086 | 89.219 | 89.492 |
第6阶 | 89.053 | 89.097 | 89.226 | 89.504 |
第7阶 | 89.140 | 89.175 | 89.305 | 89.520 |
第8阶 | 89.159 | 89.198 | 89.320 | 89.529 |
第9阶 | 218.200 | 218.240 | 218.320 | 218.420 |
第10阶 | 218.250 | 218.310 | 218.430 | 218.590 |
第11阶 | 220.310 | 220.390 | 220.510 | 220.660 |
第12阶 | 220.520 | 220.610 | 220.720 | 220.850 |
阶数 | [(fw0.8-fw0.7)/fw0.7]/% | [(fw0.9-fw0.8)/fw0.8]/% | [(fw1.0-fw0.9)/fw0.9]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 0.064 | 0.174 | 0.532 |
第2阶 | 0.044 | 0.175 | 0.539 |
第3阶 | 0.042 | 0.162 | 0.544 |
第4阶 | 0.037 | 0.140 | 0.541 |
第5阶 | 0.058 | 0.149 | 0.306 |
第6阶 | 0.049 | 0.145 | 0.312 |
第7阶 | 0.039 | 0.146 | 0.241 |
第8阶 | 0.044 | 0.137 | 0.234 |
第9阶 | 0.018 | 0.037 | 0.046 |
第10阶 | 0.027 | 0.055 | 0.073 |
第11阶 | 0.036 | 0.054 | 0.068 |
第12阶 | 0.041 | 0.050 | 0.059 |
表7 介质运动黏度增长范围对固有频率增长比的影响(N=120r/min)
阶数 | [(fw0.8-fw0.7)/fw0.7]/% | [(fw0.9-fw0.8)/fw0.8]/% | [(fw1.0-fw0.9)/fw0.9]/% |
---|---|---|---|
第1阶 | 0.064 | 0.174 | 0.532 |
第2阶 | 0.044 | 0.175 | 0.539 |
第3阶 | 0.042 | 0.162 | 0.544 |
第4阶 | 0.037 | 0.140 | 0.541 |
第5阶 | 0.058 | 0.149 | 0.306 |
第6阶 | 0.049 | 0.145 | 0.312 |
第7阶 | 0.039 | 0.146 | 0.241 |
第8阶 | 0.044 | 0.137 | 0.234 |
第9阶 | 0.018 | 0.037 | 0.046 |
第10阶 | 0.027 | 0.055 | 0.073 |
第11阶 | 0.036 | 0.054 | 0.068 |
第12阶 | 0.041 | 0.050 | 0.059 |
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