种子罐搅拌 改性沥青搅拌器 沥青、渣油、罐内介质无渗漏

固耦合

5.3.1 搅拌槽内流固耦合简介

近十几年来，随着搅拌设备的日趋大型化，对搅拌结构可靠性和经济性的要求越来越高。然而搅拌结构失效甚至断裂破坏现象频繁发生，造成巨大的经济损失

Weetman和Gigas 69]列举了搅拌槽内五种典型事故案例：①提高通气量造成搅拌轴上弯矩载荷提高，导致搅拌轴失效；②搅拌桨侧向附近进料，造成搅拌轴弯矩比设计值大一倍，导致搅拌轴的失效；③气液搅拌槽气体分布器附近流体压力不稳定，气速高频周期性波动，引起搅拌桨上压力高频波动；4整个搅拌结构的固有频率接近叶片通过频率，发生了流固耦合共振；⑤搅拌桨轴固有频率接近于叶片通过频率，造成搅拌桨**体作用力不对称。这些事故都是搅拌槽内流固耦合作用导致的。

搅拌器运转过程中体现了流体与搅拌结构的相互作用，是流固耦合的典型代表。流固隅合起始于搅拌桨的旋动，搅拌桨从电动机获得能量，并在桨叶与流体接触的界面上将能量传递给流体，使得流体在槽内流动；同时流体对搅拌桨轴、挡板等结构施加反作用力，使其发生变形，进一步扰动周围流体，形成大范围流体与结构的耦合现象。

搅拌槽内流固耦合相当复杂，搅拌结构受到流体作用力、输入扭矩、离心力、重力、轴承反力、剪应力、弯矩等作用，各种激励扰动使得转子发生偏转，处于一种涡动状态。当搅拌轴发生较大弯曲变形时还会出现陀螺力矩，使得搅拌结构呈现复杂的转子动力学特性。

搅拌结构的各种失效不仅仅关乎其材料特性，而且与作用在其上的波动载荷有关，波动载荷与搅拌槽内流固耦合特性密不可分。如富国强等7和Shi等1实验研究了搅拌轴悬臂处弯矩特性，显示叶片通过频率接近桨轴结构固有频率时发生流固耦合共振，转速频率接近桨轴共振频率时发生结构自激共振，两种共振发生时搅拌轴弯矩幅值出现较大峰值。

此外两种共振发生时搅拌桨的径向流体力系数也出现峰值(2.73]。在搅拌结构的机械设计中，过低估计该波动载荷会导致搅拌轴的疲劳寿命过短，然而过高估计该波动载荷会使搅拌设备整体尺寸庞大，特别是设备大型化后，设备经济性变得较差。因此，对于搅拌槽内流固耦合的研究具有重要意义。

通过大量实验研究和数值模拟对搅拌槽内流固耦合进行深入研究，可以探索流固耦合作用下搅拌系统的结构行为和流体行为，揭示流体与结构相互作用的机理和本质，获得搅拌系统的关键数据，如搅拌系统的临界转速、搅拌结构所受载荷(如搅拌轴悬臂端力矩、搅拌桨和搅拌轴的位移等，进而为工业搅拌反应器的操作提供理论基础或经验数据，叶流体载荷) 刚度分析、疲劳分析和密封性能分析提供参考，促进搅拌事业的进一步发展。