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判性业自他
螺旋搅拌桨翼剖面的集成设计方法
Integration design method of airfoils for mixing impelle
王旭东,张贤明
WANG Xu-dong, ZHANG Xian-ming
(重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心,重庆400067)
摘要:螺旋搅拌叶及其翼剖面形状直接决定撒拌功率及混合效果。本文在分析螺旋垸拌叶轮功率基
础上,针对搅拌桨剖面集成表达式,通过控制函数项及其系数,提出了一种塚旋搅半翼
剖面的集成设计方法,并设计出了相对厚度为15%的搅拌浆翼剖面。针对该设计翼剖面,数
值模拟了雷诺数为5000的工业废油搅半场下其升力变化特性及表面强変化,验证了设计方
法的可靠性。研究成果为新型高效塚旋搅拌桨的集成优化设计定理论基础
关键词:螺旋搅拌架;翼割面;集成表达;设计方法
中分类号:TH122
文献标识码:A
文章编号:1009-0134(2013)06(下)-0131-02
Doi:10.3969/」.lsn.1009-0134.2013.06(下).38
正比。当搅拌液体确定后,搅拌功率准数直接
搅拌是工业废油再生过程中最重要的单元操
取决于搅拌桨叶形状与攬拌罐的体积。
作之一,其目的是让废油与吸附剂得到充分的混
Np=k(Re)
合。螺旋欖拌叶轮因其排出液体能力强、轴向径
式中K为形状方程式系数;Re为雷诺数。
向混合效果好而广泛用于废油再生的前处理,其
因此,为提高搅拌工作效率,可以从桨叶的
浆叶的结枃形状和运转情况是影响反应器内流体形状设计出发。对于螺旋攬拌桨来说,其构型设
流场分布和决定能量转化效率的重要因素
计包括翼剖面和螺旋线的形状设计,而翼剖面的
测试技术、计算机图像处理技术和计算流体性能直接取决于其曲线形状,即翼剖面的形状会
力学技术取得了的长足进展,为搅拌桨时的设计直接影响螺旋搅拌叶轮的功率。
计算、实验研究和模拟分析创造了良好的条件,2螺旋桨翼剖面的型线集成表达
丰富了搅拌桨叶设计方法。螺旋搅拌桨叶沿展向
已知2平面上的一个圆,通过改变圆心的位
截面即为翼剖面,显然翼剖面的形状和性能直接置,利用懦科夫斯基变换式
决定了拌叶轮的功率特性和载荷特性,因此,螺
s=1(z)=z+a/
旋搅拌桨叶及其翼剖面的设计理论也是很多学者
就能够变换成S平面上的一个翼剖面,其中
研究的重点2。本文从螺旋搅拌桨翼剖面形状a为1/4翼剖面弦长。
表达式出发,研究其集成表达方式及优化设计方
此时,S平面上的翼剖面在笛卡儿坐标系下就
法,为提高螺旋搅拌桨叶的设计效率和制造精度可以表示为
提供理论依据。
Ig=(r+@2/n)cose
(4)
螺旋搅拌叶轮功率特性
n=(r-a/r)sine
在进行搅拌桨叶设计时,搅拌功率作为一个
其中,ア为翼剖面的矢径长度间。
重要的目标量,其大小与搅拌器几何参数、搅拌
为了表征翼剖面的通用性,将r设为一个关
罐几何参数、搅拌液体特征参数以及搅拌器运转于的函数,表示为
参数等因素都有着直接的关系,表达式为
r=aexp(p(6))
(5
P=N,Pnd
通过选取不同的φ(θ),就可以变换出各种不
式中N,为功率准数:;ρ为介质密度:N为搅同性能的翼剖面。
拌转速;d为桨叶直径
翼剖面型线是由具有翼剖面特性的曲线组成
可以看出,搅拌叶轮的功率与其功率准数成的。根据以上的儒科夫斯基变换理论,基于 Taylor
收日期:2013-01-24
金顾目:中国博士后科学基金面上资助项目(2012M511902);重庆市教委科学技术研究项目(KJ20722)
作者筒介:王旭东(1981-),男,副教授,博士,研究方向为机械结构优化设计及可再生能源装备关键技术研究。
第35卷第6期2013-06(下)[131
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级数思想的可取函数q(θ)的广义泛函方程可以集
成为:
w(の)=a1(1-cosの)+bsin+a2(1-cosの)
+b2sine+…:a(1-COs)+bsin+…
可以看出该式满足φ(0)=0,保证了翼剖面的图2该翼剖面流场网格划分图3该翼剖面升力系数
尖后缘特性。选取不同的ak,b和项数,就可以
角为10°和20°时表面压强分布系数,其中上翼面
得到不同的翼剖面。
表现为负压,下翼面为正压。可以看出,随着入
3翼剖面设计及其性能分析
流攻角的增加,上翼面的负压会逐渐增加,更容
螺埞搅拌桨翼剖面形状通常为机翼形,采用易引起失速,使其升力减小,阻力增加。
这种翼剖面的设计的叶轮效率高。针对建立的螺
旋搅拌桨翼剖面集成表达式,通过选取不同的函
数项及系数,由式(6)可以得到不同形状的翼剖
面,来满足螺旋搅拌桨的设计。本文选择函数
p(θ)的前6项系数为设计变量,记作:
1.20.
X=(x,x2,x3,x4,x52x6)
图4该翼剖面攻角10°时图5该翼剖面攻角20°时
式中变量的变化范围根据翼剖面的形状来确定。
表面压强系数
表面压强系数
函数方程,建立其化设计模型,以其力学性能4结论
为设计目标函数,对螺旋搅拌桨翼剖面的通用集成
1)基于翼剖面形状对螺旋搅拌叶轮功率的影响
型线进行了计算求解,可以得到不同相对厚度的翼提出了螺旋搅拌桨翼剖面的形状集成函数表达式。
剖面。图1给出了相对厚度为15%的设计翼剖面。
2)针对螺旋搅拌桨翼剖面的集成表达式,选
取不同的函数项和系数,设计出相对厚度为15%的
翼剖面,并分析了该翼剖面在搅拌场的升力及压
强分布变化
参考文献
[l] Kumaresan T, Jseshtharaj B Effect of impeller design on
the flow pattern and mixing in stirred tanks]. Chemical
图1最大相对厚度为15%的设计翼剖面
Engineering Journal, 2006, 115: 173-193
12] Alexander B P, Stephen R T, Maaten F. Evaluation of
选取图1的翼剖面,借助 FLUENT软件对
manoeuvring coefficients of a self-propelled ship using a
其在搅拌场的性能进行数值模拟。对于攬拌罐来
blade element momentum propeller model coupled to a
说,其搅拌场的雷诺数表示为:
Reynolds averaged Navier Stokes flow solver[J]. Ocean
Engineering,2009,36:1217-1225.
Re=
3] Thokala P, Martins J Variable-complexity optimization
applied to airfoil design[]. Engineering optimization, 200