基于UG平台的结晶器搅拌桨CAD/CAM的集成

结晶器搅拌桨采用船用螺旋桨结构，桨叶为复杂曲面．应用Delphi7开发了搅拌桨叶面型值点计算模块，并以CAD／CAM集成系统UG软件为平台，应用其二次开发工具OPEN GRIP建立了搅拌桨的三维实体模型；在分析搅拌桨数控加工特点的基础上，研究了搅拌桨多轴数控铣削加工工艺．利用UG的CAM模块完成搅拌桨的数控编程，实现了搅拌桨CAD／CAM集成．将研究结果应用于搅拌桨生产，搅拌桨的设计一制造周期缩短了70％～80％；几何精度检验结果表明，搅拌桨加工精度显著提高，搅拌桨导边与随边几何误差小于0．05mm；经静平衡检验，不平衡量小于搅拌桨质量的0．05％．     

错位Rushton桨的水动力学特性

为了揭示错位Rushton桨的混合机理,采用计算流体动力学方法,对层流和湍流水动力学特性进行了研究.首先通过与文献中实验结果的比较,验证了所建数值模型及模拟方法的可靠性,然后重点分析了错位桨搅拌槽内的尾涡、流场和搅拌功耗.结果表明:与标准Rushton桨相比,相同转速时,错位桨能减小尾涡尺寸,降低搅拌功耗,而且桨叶宽度越小越有利,但过低的桨叶宽度不利于增大流体速度及速度分布的均匀程度.相同搅拌功耗时,桨叶宽度为3 D/20和D/5(D为搅拌桨直径)时错位桨的搅拌效果明显优于标准搅拌桨,两者对流体速度提高的幅度相当,但桨叶宽度为3 D/20时的尾涡尺寸小,故为推荐桨叶宽度.     

运用CFD研究钟摆式搅拌的混合效率

设计了一种钟摆式搅拌槽,对槽内流场和混合过程进行了数值模拟,分析了槽内流体的流动特性及加料方式对混合效果的影响。并对混合效率进行了评定.结果表明:钟摆式搅拌槽内桨叶上方区域的混合比桨叶下方要好;考察加料位置的影响时,自由液面加料的混合效果优于底部加料;整体来讲,自由液面加料时钟摆式搅拌槽的混合效率比较高,与三窄叶翼形搅拌桨相接近,槽底部加料时的混合效率要低一些,与六直叶圆盘涡轮桨相当.     

9种搅拌器以水为介质混合时间的测定

在7 L玻璃搅拌釜中,以水为实验介质,在无挡板条件下采用温差法和比色法,考察了9种搅拌器的混合时间.结果显示:在实验转速范围内,所有搅拌器随着转速的升高,混合时间缩短.对6种小浆叶(d/D=0.5)搅拌器而言,双层六直叶开启涡轮式桨叶的混合时间最长,单层四斜叶T型桨A的混合时间最小;在单层搅拌器中,六直叶开启涡轮式搅拌器的混合时间最长;对大桨叶(d/D=0.8)搅拌器而言,框式混合时间最长,单层二斜叶T型桨B最短;温差法和比色法两者测定结果趋势基本一致.     

固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性

将折射率匹配技术与粒子图像测速技术结合,测量了固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性。实验所用搅拌槽为平底方槽,搅拌桨为45°四斜叶桨,桨叶搅拌雷诺数389~2 332,固体颗粒的最大体积分数15%。实验考察了桨叶操作方式、搅拌转速和固含率对搅拌槽内瞬态颗粒分布和颗粒床层处瞬时流场的影响规律,结果表明：相同转速下桨叶为上提操作时流体对颗粒床层的侵蚀作用强于下压操作,颗粒开始悬浮的时间早,但悬浮高度较低;随着搅拌转速的增加,流体对颗粒床层的侵蚀作用增强,体系达到稳态后搅拌槽内颗粒云的均一度和高度也出现上升趋势;固含率从5%增加至15%时,搅拌槽内悬浮起的颗粒数量增加;流体侵蚀颗粒床层的临界速度范围在0.1~0.25 m/s。     

卧式聚合釜中新型宽叶板式搅拌桨的气液传质特性

卧式聚合反应器被广泛用于气态单体的乳液聚合反应.为强化气液传质,卧式聚合反应器多采用新型宽叶板式搅拌桨.本文采用进出口流量变化检测法在卧式反应器内测定了气液容量传质系数Kla,考察了NFr数、液含量ε、搅拌桨层数和桨叶片数对Kla的影响.结果表明:新型宽叶板式搅拌桨比普通桨型具有更大的气液容量传质系数.Kla随NFr的增加而增大;随ε的增加先增大后减小,在ε=0.5时达到最大值,随搅拌桨层数和桨叶片数的增加而增大.在不同的NFr下,卧式反应器内流体呈现重力作用区、过渡区和惯性力作用区.在重力作用区,Kla与NFr符合Kla∝NFr0.9～1.1.     

多层桨搅拌槽内的宏观混合特性

在直径为0.476 m的搅拌槽内,采用电导法测定搅拌槽内单层桨和多层桨体系的混合时间。对于单层桨体系,在相同的搅拌输入功率下,不同类型的径向流桨和轴向流桨具有相同的混合时间。对于窄叶翼型CBY搅拌桨,在相同的搅拌输入功率下,单层、双层以及三层CBY搅拌桨的混合时间基本相同;而对于六直叶涡轮桨DT-6,在相同的搅拌输入功率下其混合时间随桨叶层数的增加而加长;多层CBY桨的混合时间远低于多层DT-6搅拌桨的混合时间。     

过渡流搅拌槽内单颗粒悬浮特性的实验研究

利用高速摄像技术对过渡流搅拌槽内单颗粒的运动特性进行捕捉,分析了搅拌雷诺数及桨叶离底高度对颗粒悬浮运动的影响规律,并使用二维粒子图像测速技术得到搅拌槽内的流场信息。研究结果表明：颗粒的临界悬浮转速随桨叶离底高度的降低而降低;桨叶离底高度对颗粒在槽底的运动影响较大;颗粒在垂直离底悬浮后,于桨盘下方附近螺旋上升或作持续的螺旋状圆周运动;搅拌雷诺数升高对颗粒垂直上升的最大高度和最大速度影响较小,但会减小垂直上升过程中桨盘的转动圈数;颗粒螺旋上升是由于轴向流场在颗粒停滞位置向两侧产生了分叉;颗粒的悬浮主要是由流体的主体流动引起的。     

侧伸式搅拌槽中叶轮区的局部速度

采用φ2m×4.2m侧伸式搅拌槽,研究了搅拌器在0.6m水位时的最佳安装位置下(三桨均匀分布,最佳偏转角βopt=10°,垂直夹角α为6°,推流桨安装高度h为0.75D,推流桨伸入长度与推流桨直径之比L/D=1.44)的局部速度。结果表明:搅拌槽内流体流速仅在槽内桨叶排液区较大;与立式推流桨的流场(轴对称,双峰值)相比,无论单桨还是三桨,侧伸式推流桨的流场不是沿轴线对称的;三桨同时启动时叶轮的排出流量准数Nqd为0.665,并外推得到单桨排出流量准数约为三桨排出流量准数的91.0%;在竖直方向上,叶轮排液区合速度和轴向速度的均值变化在左侧与右侧一致,而在叶轮上半部分与下半部分不对称;实验回归出单桨合速度与轴向距离的关系是V*=0.402Y*-0.151,三桨同开时V*=0.454Y*-0.049。     

基于CFD的对转桨扇发动机性能确定技术研究

以某对转桨扇发动机三维模型为对象,采用CFD方法对桨扇滑流开展数值模拟。利用分区拼接网格技术对桨扇旋转区域和外流场域进行网格划分及拼接;在此基础上采用雷诺平均N-S方程,雷诺应力项采用RNG 湍流模型,基于滑移网格方法,开展了针对不同来流Ma、桨叶角及桨叶转速的流场的数值计算。结果表明：桨叶角对于拉力影响较大,在桨叶角30°变化到35°,桨扇的拉力变化范围可达37.8%,功率变化可达28.4%。桨叶拉力随着转速的增大而增大,在转速达到1600rpm后,前后排桨叶的拉力系数最大相差33%,当转速继续增大,气流通过前后排桨叶偏转角度大,气流失速严重,桨叶拉力增幅减小。本文通过对该型桨扇发动机流场的计算,定量获取了桨扇的拉力、功率特性,为后续桨扇发动机的推力计算提供参考。     

一种发酵机搅拌装置的流固耦合有限元仿真研究

针对高黏度物料多层搅拌发酵机搅拌轴承载设计问题,基于有限元进行计算流体动力学和流固耦合分析,研究物料不同黏度下搅拌装置转矩、变形和受力情况.由搅拌装置转矩受力情况,计算出物料安全黏度极值和范围,并分析物料不同填充高度下搅拌装置的转矩.结果表明:正常工况下,搅拌装置第一层桨所受转矩最大,第六层桨末端变形最大,应力最大处在短轴上联接第一层桨的轴段上;物料强度安全黏度极值为205 Pa·s;物料填充高度对搅拌装置转矩影响不大,物料最佳填充高度范围为物料面距离搅拌槽内顶100~150 mm.     

考虑边界约束影响的薄壁箱梁剪力滞翘曲应力分析

为了更加客观地反映箱形梁剪力滞翘曲应力分布,借助有限元软件建立箱形梁实体模型,计算并绘制横截面翘曲应力分布图.在此基础上,重新定义了箱形梁各板的翘曲位移模式,同时引入反映翘曲应力自平衡和悬臂板边界约束影响的修正系数.选取剪力滞效应引起的附加挠度为广义位移,应用能量变分法建立了以附加挠度为未知量的控制微分方程及边界条件,并导出了简支箱梁和两跨连续箱梁剪力滞附加挠度和翘曲应力的解析解.通过简支箱梁和连续箱梁算例,结合空间有限元翘曲应力计算结果确定边界约束修正系数可采用1.4.算例表明,本文方法计算结果与有限元数值解吻合良好.     

基于几何精确桨叶模型的旋翼刚柔耦合建模

建立一种适合于多种直升机桨毂构型的高精度旋翼结构动力学模型。将几何精确桨叶模型集成到传统的旋翼刚柔耦合动力学模型中去,使得新模型既适用于全铰接式旋翼,又能对先进桨毂构型(无铰式或无轴承)桨叶精确建模。建模过程中不进行阶次截断,不作小量假设。采用有限变形下的Green应变表达式及几何精确的弹性变形运动几何学关系式,推导桨叶应变能、动能以及外载荷虚功。桨叶根部铰约束处的转角分别以三个独立刚体自由度与桨叶弹性变形自由度耦合,依据Hamilton作用量原理建立旋翼刚柔耦合动力学方程。大变形梁与铰接式旋翼桨叶算例验证了模型的有效性与高精度。     

搅拌器安装高度对稀土萃取槽传输性能的影响

自行设计了具有单层倾斜式四叶片搅拌器的稀土分离萃取槽,采用FLUENT软件建立了稀土萃取槽三维几何模型,并利用多重参考系模型对5种方案(即搅拌器安装高度H分别为L/12=50 mm、3L/12=150 mm、5L/12=250 mm mm、7L/12=350 mm、9L/12=450 mm)下萃取槽内流体流动轨迹、流速分布、低速区体积分数及混匀时间等进行了仿真研究。研究发现:搅拌器高度为5L/12时,萃取槽内Z轴方向上流体流速分布合理,无明显低速区;搅拌器高度为7L/12时,搅拌槽内低速区体积分数最低,仅为0. 936%;搅拌器高度为5L/12时,萃取槽内各监测点混匀时间最短、在19. 3 s～26. 2 s之间。研究结果表明:所设计的稀土萃取槽的搅拌器高度在5L/12～7L/12范围内,综合性能良好,可供稀土萃取相关领域的研究和设计参考。     

组合桨层间距对搅拌槽内流动特性的影响

采用粒子图像测速技术(PIV)对三层组合桨(HEDT+2WHU)搅拌槽(槽径0.476m)内的流动特性进行了研究,在搅拌转速、顶桨浸没深度和顶层桨高度不变的情况下,得到了中层桨位置的变化对搅拌槽内的流型、相位解析速度场和湍流动能的影响规律。结果表明,中层桨位置的改变对搅拌槽上部区域流体的流动特性影响显著,而对搅拌槽下部区域流体的流动特性产生影响较小;随中层桨位置降低,槽上部液面处反向回流区逐步缩小直至消失,中、顶层桨合并轴向流断裂,底桨上涡环作用范围不断压缩;对于相位解析速度场,较之中层桨尾涡几乎没有变化,顶桨尾涡的发展由极其微弱逐渐清晰,底桨尾涡则提前了10°相位出现;对于湍流动能分布,中、上层桨逐渐趋向于类似两层桨单独作用,底、中层桨间整体湍流动能增大。     

螺旋桨流固耦合特性的数值模拟

基于ANSYS Workbench平台,利用其多场分析功能,采用求解RANS方程的方法,利用CFX求解器对螺旋桨3维流场进行数值模拟,利用有限元求解器计算螺旋桨结构响应,并将有限元求解器的设置输出为结构求解子程序,供CFX计算时调用以实现数据的实时双向传递,从而将流体计算与结构变形计算耦合起来,给出一种求解螺旋桨流固耦合问题的3维数值模拟方法,并通过与试验数据的比较验证了方法的可靠性.设定2种材料特性,对螺旋桨的水动力性能、桨叶变形及应力应变特性等进行了数值模拟.结果表明:材料特性对变形及应变较为显著,弹性桨的变形与应变较刚性桨约高1个量级;变形后的螺旋桨又对水动力性能及周围流场产生影响,弹性桨的推力和转矩均比刚性桨小.     

隔板搅拌槽流动与混合性能的数值研究

层流搅拌时,搅拌槽的混合效率普遍较低。为了改善搅拌效果,在桨叶上下方混合隔离区处对称布置了4块隔板,以截断隔离区内流体运动轨迹的周期性,并以甘油为介质,对有无隔板时Rushton桨在层流状态下的流动与混合过程进行了研究,分析了槽内流场结构、速度分布及功率消耗情况。结果表明,隔板不仅能改变槽内流体的流型,增强轴向循环能力,提高混合效果,而且消耗的功率低,仅为同条件下无隔板时功率消耗的76%。     

高速铁路跨度40 m双线混凝土简支箱梁的约束扭转效应分析

为分析高速铁路跨度40 m双线混凝土简支箱梁桥约束扭转效应,采用薄壁箱梁约束扭转的理论解析法,建立列车活载作用下的约束扭转微分方程,结合ANSYS软件的精细数值模拟结果,对比研究了箱梁在约束扭转下的扭转角、翘曲双力矩、约束扭矩等力学参数的变化规律,研究了腹板倾角、高宽比和悬臂板宽度等计算参数对约束扭转应力的影响规律。结果表明：扭转角在跨中处达到最大,翘曲双力矩在1/4跨、1/2跨处峰值基本一致,约束扭矩在跨中处达到最大值。板壳有限元解与解析解的计算结果存在一定差异,且翘曲正应力在腹板和底板相交处最大相差为66.6%,有限元解更为精确。简支梁跨中截面悬臂端的翘曲效应最明显,翘曲比例系数可达9.16%。翘曲应力总体随高宽比、腹板倾角的增大而减小。     

预加轴力下FRP-钢管约束混凝土构件的冲击性能

为研究预加轴力下FRP-钢管约束混凝土构件在冲击荷载下的动力响应,运用有限元分析方法建立构件模型并进行模拟,得到构件冲击之后的变形图,探究轴向压力大小、约束效应系数、钢管屈服强度、混凝土强度四种因素对构件冲击性能的影响,绘制构件的冲击力峰值曲线和跨中挠度峰值曲线作为判断冲击性能的参考.模拟结果表明,试件两端预加150 kN轴力即轴压比0.15时,试件冲击力峰值最大;增大约束效应系数可以改善构件抗冲击性能;在150 kN轴向压力下,增大钢管屈服强度,试件冲击力峰值呈线性增大,跨中挠度峰值呈现线性减小;改变混凝土强度对试件跨中挠度影响较小.     

热-力耦合作用下钢板剪力墙抗火性能分析

为了研究不同参数对钢板剪力墙抗火性能的影响,应用有限元软件ABAQUS建立不同轴压比和高跨比的钢板剪力墙模型,分析其在标准升温曲线作用下结构变形规律和钢板应力变化。分析结果表明:随着轴压比的增大,柱横向变形和钢板应力曲线变化不明显,随温度的升高,柱轴向位移会随之减小,说明改变轴压比对柱轴向位移有一定影响,位移在极限变形允许范围内;随着高跨比的增大,梁挠度、柱横向变形逐渐增大,钢板应力变化不大,说明改变高跨比对钢框架变形影响较大、受力影响较小,钢框架变形在允许范围内可继续承载。