立式捏合机桨叶结构参数对混合釜流场影响的仿真分析

为揭示立式捏合机桨叶几何结构参数与混合釜流场之间的关系,以1 L两桨立式捏合机为研究对象,采用计算流体力学ANSYS Fluent 14.5软件对立式捏合机进行了三维模型仿真研究,分析了桨叶结构参数(桨桨间隙、桨叶螺旋角)的改变对混合物料挤压应力和剪切应力的影响。结果表明,增大桨桨间隙可减小桨叶对混合物料的挤压应力和剪切应力,空心桨螺旋角分别为40°、45°、50°,桨桨间隙由1.0 mm增加到3.0 mm,挤压应力、剪切应力分别平均减小了82.4%、57.23%;增大桨叶螺旋角可增大桨叶对混合物料的挤压应力和剪切应力,空心桨间隙分别为1.0、2.0 mm,桨叶螺旋角由35°增加到55°,挤压应力、剪切应力分别平均增加了92.8%、55.7%。

错位六弯叶桨在假塑性流体中的混沌搅拌特性

基于混沌混合理论,提出了一种错位叶片的结构形式,用来消除层流流场的混合隔离区。利用CFD的方法,对六弯叶涡轮(6BT)和错位六弯叶涡轮(6SBT)2种搅拌器在黄原胶水溶液中的流场变化进行研究,分析比较了2种搅拌器的流场结构、速度分布以及功率消耗的不同。结果表明,模拟计算得到的功率值与实验测量值吻合较好,6SBT桨在层流区的临界雷诺数为20;错位叶片搅拌流场结构不对称,可消除流场隔离区,搅动范围变大;随Re增大,对层流流场的改善效果增强,全槽的平均剪切速率得以提高,并且具有节能功效。在转速N=5 r/s的条件下,6SBT桨的轴向和径向速度分布整体上明显好于6BT桨,而功耗约为6BT桨的93%。

六弯叶搅拌槽内假塑性流体流场及洞穴变化的数值模拟

利用计算流体力学的方法,对六弯叶搅拌器在黄原胶水溶液(一种具有屈服应力的假塑性流体)中的流场及洞穴变化进行研究,得到了搅拌器的功率准数、流动准数、泵送效率以及洞穴大小随雷诺数的变化情况.结果表明,层流状态下,功率准数与雷诺数成反比,流动准数和泵送效率随雷诺数增加而增大,随流体粘度增加而降低,采用Herschel-Bulkley流变模型模拟的洞穴形状为圆柱形.Dc<T时,洞穴大小符合Elson模型的理论计算结果,在双对数坐标图中,Dc/D与P0Rey接近线性关系,拟合后的直线斜率为0.35.

低压高负荷涡轮叶栅的大涡模拟

了解预测转捩与层流分离泡,对于低压高负荷叶片设计特别重要。为此,采用大涡模拟方法,对典型高负荷叶栅T106进行了模拟。计算描述了层流分离泡,给出了壁面压力、壁面摩擦力系数的分布,从而准确预测了T106压力面上的层流分离、转捩、湍流再附现象。计算同时刻画了层流分离泡的非定常性质,给出了瞬时压力,进行了频谱分析,确定主频为2500 Hz,并观察到了瞬时涡等有意义的现象。计算同时表明二维大涡模拟计算结果可以复现出湍流的许多重要现象并且精度可以满足工程需要。

低雷诺数下高亚声速压气机叶型流动损失机理研究

以高亚声速压气机叶型为研究对象,利用数值模拟手段研究了不同雷诺数Re条件下叶片近壁面分离泡结构和边界层发展的内在关联,基于Denton损失模型,揭示了低Re下压气机叶型性能退化内因;在此基础上,通过叶型改型设计,获得两种不同载荷分布的新叶型,对比分析了载荷分布对分离泡结构和叶型流动损失的影响。结果表明,Re从1.2×10^6降低到1.5×10^5时,吸力面分离泡长度增加11.2%轴向弦长,此时叶型边界层损失略有增加,而叶型尾迹损失增加接近150%,分离泡强烈的"位移效应"导致尾迹损失急剧增加是低Re下压气机叶型性能退化的主要原因;采用前加载叶型能够促使转捩提前发生,同时降低流向逆压梯度,有效抑制分离泡的形成和发展,改善低Re条件下高亚声速压气机叶型的气动性能。

直叶涡轮及斜四叶桨搅拌槽层流流场的数值分析

采用计算流体力学(CFD)方法,对直叶圆盘涡轮桨(Rushton)和斜四叶桨(PBT)搅拌槽流场进行研究。利用Laminar层流模型对其在甘油中产生的流场进行数值计算,得到四种形式的搅拌桨以恒定转速200r/min在搅拌槽内转动时所产生的流场结构,对比分析轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布曲线,比较所需的搅拌功率。结果表明:Rushton桨的搅拌效果优于PBT桨,但能量损耗较高;不同倾角的PBT桨具有类似的流动特性。

兆瓦级风机叶片材料细观模型改进方法研究

针对叶片材料璃纤维预浸带层间应力对大型风力机寿命的影响,对璃纤维预浸带细观模型的建模方法进行研究。采用有限元分析方法,并结合细观力学理论,将璃纤维预浸带各铺层层间应力的三个分量分别计算作为改进设计的目标,对叶片结构璃纤维预浸带细观模型进行改进,提出一种准三维细观模型的方法。以兆瓦级风力机叶片材料璃纤维预浸带细观模型为例,对改进前后叶片细观模型的三个分量参数进行的计算分析,并搭建璃纤维预浸带准三维实物模型,借助三维全场变形应变测量分析系统对实物模型进行实验,结果表明璃纤维预浸带准三维模型不仅能实现层间应力准确计算,且能实现对层间应力三个方向分量分别计算,为研究风力发电机组叶片寿命预测提供了一种新的理论与实验方法。

多叶片组合式搅拌桨釜内流动特性和混合性能研究

开发可适用于较宽黏度范围的搅拌桨,强化釜内的流体流动和混合过程对于搅拌釜的节能增效具有重要的意义。实验与数值模拟相结合,在大涡模拟层面研究了多叶片组合式搅拌桨(MBC桨)从层流到湍流状态下,釜内的功率特性、流场分布、湍流特性和混合性能。结果表明:预测的功率曲线与实验结果一致;层流状态下釜内以切向流动为主,随着Reynolds数(Re)的增大,釜内轴向和径向流动逐渐增强,当Re达到486时,速度场分布与湍流状态下基本一致;在相同的能耗水平下,MBC桨对高黏度流体的混合性能优于商业Maxblend桨。桨叶的分散组合布置,强化了釜内的轴向和径向流动,使得MBC搅拌桨在从过渡流到湍流状态下均可实现较大的轴径向流动,湍动能分布较为均匀,混合过程显著加快。

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。

层流压气机叶片设计中的关键问题

层流压气机叶片是一种为使通流部分尽可能保持更大范围层流状态而设计的叶片。它能显著提高压气机的气动效率与变工况性能。这种叶片具有最大厚度位置靠后,前缘半径较小,吸力面表面比较平坦等特点。本文通过对主要相关文献的回顾,归纳出层流压气机叶片需要解决的关键基础问题,提出叶型的气动性能与叶片型线一阶导数、二阶导数分布的不连续程度密切相关的观点。建议在不同雷诺数、不同马赫数区域(超音区、亚音区及激波处)及不同压力梯度(顺压区、逆压区)条件下,研究叶片气动性能对叶片型线一阶导数、二阶导数分布的不连续程度的敏感性,找出他们之间的客观规律,为层流压气机叶片的设计、制造及性能预估过程中解决型线离散的偏差问题提供基本准则。

层流叶片在压气机中的应用研究

压气机叶片表面层流流动及转捩现象的捕捉是研究压气机层流叶型的重点和关键。通过基于SST转捩模型的数值方法对某压气机叶型进行数值模拟分析,以精确捕捉普通湍流模型无法捕捉的叶片表面的层流流动及转捩现象,并给定叶片表面转捩的判定依据。在此基础上深入研究低雷诺数环境和高湍流度环境对压气机叶片表面层流流动的影响,验证了在实际压气机环境下,叶片表面的层流流动是可能存在的。为后续压气机层流叶型设计提供数值验证手段和可行性验证基础。

铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析

采用有限元方法对复合材料风扇叶片榫头在拉伸及拉弯耦合工况下的层间应力特点进行研究。根据榫头结构特点,完成了榫头的铺层设计;基于FiberSIM-ACP软件平台,建立了复合材料风扇叶片榫头有限元分析流程,确定了一种满足层间应力分析精度要求的榫头有限元模型,通过与试验结果对比,证实了该有限元模型的有效性。计算结果表明:拉伸工况下层间正应力S33的高应力区位于叶身开始向叶根过渡的变厚度位置,该位置处靠近压力面的14层铺层承受拉伸应力;切应力S13及S23的高应力区在同一区域,切应力大小与铺层角度息息相关,0°铺层承受较大的切应力S13,±45°铺层同时承受较大的切应力S13和S23。增加弯曲载荷后S33的高应力区向榫头上端延伸,承受拉应力的铺层数量增加;切应力的高应力区靠近榫头承力面,高应力区铺层数量增加。