气液搅拌反应器内流固耦合实验研究

【摘要】：气液搅拌反应器中,流场的不稳定性波动造成搅拌桨上流体力的不对称,同时气体的直接冲击还可致使搅拌轴发生振动,这些都会导致搅拌桨轴发生偏摆。偏摆的搅拌桨轴反作用于流场,加剧了流体力的不对称性,进而激发搅拌桨轴发生更大的侧向摆动,这种相互作用称为流固耦合(FSI, Fluid-Structure Interaction)。流固耦合作用将导致搅拌轴端部承受交变的弯矩和扭矩,极易导致搅拌轴疲劳失效。本文利用高精度力矩传感器,对一系列典型的轴向流和径向流搅拌桨在不同转速和通气量下搅拌轴端部弯矩和扭矩信息进行采集,研究了通气量和转速对气液搅拌反应器内流固耦合作用的影响,主要包括通气量和转速对搅拌桨扭矩幅值平均值、扭矩幅值分布、弯矩幅值平均值、弯矩幅值分布、弯矩波动特性、弯矩频率特性和联合力矩等参数的影响。轴流桨型包括上提和下压操作的PBT桨,径流桨则为四种叶片曲率不同的圆盘式涡轮桨(RT、CD、HEDT及PDT)。研究结果表明,轴流桨和径流桨的弯矩幅值均符合Weibull分布,扭矩幅值则随通气量增大呈现由接近正态分布向典型双峰分布过渡的趋势。扭矩和弯矩幅值平均值变化规律受桨型和载气方式的影响。轴流桨中,上提操作的PBT桨的相对扭矩平均值和相对弯矩平均值都随通气量的增加而平滑下降,而下压操作的PBT桨的相对扭矩平均值随通气量增大呈现缓慢下降、快速下降和缓慢上升的阶段式变化并存在一个极小值,该桨相对弯矩平均值同样呈现升-降-升三段式变化。四种径流桨的相对扭矩都随通气量增大而整体呈下降趋势。RT、CD和PDT桨相对弯矩随通气量增加呈现上升、下降和再次上升的三段式变化。HEDT桨相对弯矩随通气量增大整体呈上升趋势,中间存在升降趋势的波动,但波动较不明显。在对研究中的各类桨型进行频谱分析时发现,PBT和四种径流桨的弯矩频率中转速频率和宏观低频都较为突出。对于涡轮桨,弯矩频率中宏观低频所占比例随通气量增加而增加,且叶片曲率越小,搅拌槽内流场宏观不稳定性越容易受通气量影响。