秸秆螺旋挤压脱水机叶片强度和变形的流固耦合分析

0 引言

利用生物质原料制备燃料乙醇时，需要对原料进行预处理。由于生物质原料的收集、运输、粉碎等过程中极易混入砂土及金属屑等杂物，如果直接送入后续设备容易造成设备的损坏，因此需要对粉碎后的生物质原料进行水洗、脱水处理后再送入蒸汽爆破装置或者酸、碱水解等后续设备。蒸汽爆破装置对原料的含水率有一定的要求，且研究表明进料的含水率对汽爆效果有重要的影响，对脱水设备提出了更高的要求。目前，对螺旋挤压脱水机的理论研究多集中在实验方面，模拟方面的研究较少，但模拟研究多数将流体原料定义为不可压缩的水及沥青等，且对螺旋叶片施加的载荷多是假定的定值载荷，与实际情况相差较远。
本文研究了一种自行设计的螺旋挤压脱水机，采用变螺径、变螺距和变轴径的结构形式，如图 1 所示。其主要几何参数如下:螺旋叶片厚度取 5mm;输送段由2 个螺距组成，螺距取 135mm，轴径取 56mm，螺径取110mm;压缩段由3 个螺距组成，螺距分别取 120、100、80mm，末端轴径取 40mm，螺径取 80mm。
螺旋挤压脱水机的设计产量为干料量 2t/h，压缩比为2．8，转速为50 r/min。出口压力(为防止蒸汽反喷的密封压力)作为螺旋挤压脱水机的一个重要参数，其改变必然会影响到设备内部的压力场分布，也必然会对螺旋叶片的强度产生影响。本文运用 Fluent软件通过 UDF 建立了螺旋挤压脱水机内可压缩物料的流体模型，对螺旋挤压脱水机内部压力场进行了模拟与分析;同时，运用 Workbench 中流固耦合分析方法，将螺旋叶片所受压力调入强度分析模块，得到了螺旋叶片的应力分布和位移响应云图，并得出了叶片强度和出口压力的变化关系。


1 用 Fluent 进行压力场模拟

1． 1 定义流体物性
1) 理论假设。为便于研究对内部流体特性做如下假设:①流动为定常流动，忽略重力;②流体为单相，可压缩粘性流体，粘度为定值;③流体的密度沿轴向呈线性变化;④以流体密度的改变来反映实际流体的脱水效果。
2) 可压缩流体物性模型。结合 Fluent 软件的功能特性和实验测量结果，将流体的物性参数做以下设置:流体密度随轴向线性增大，在螺旋轴压缩比 2． 8的情况下，设置进口端密度为50kg/m3，出口端密度为350kg / m3。由于软件中只有密度随温度的变化关系，实际情况是密度随轴向位置逐渐增大，为此编辑了UDF 程序，将物料温度定义为随轴向线性变化，密度随温度线性变化，从而使得密度沿轴向呈线性变化。查阅文献，设置流体的粘度为0．09Pa·s。

1． 2 建立物理模型及网格划分
本文采用的螺旋挤压脱水机为上部进料，螺旋末端出料，压缩段为变螺径、变螺距和变轴径的螺旋叶片。流体区域和固体区域的实体模型如图2 所示。

将三维实体模型分别导入 ICEM 软件进行网格划分，采用非结构四面体网格进行划分，对叶片等形变剧烈部分进行了局部加密，对网格数量进行了优化，选取了流体区域 49 万、固体区域 39 万的网格。两个区域的网格划分如图3 所示。


1． 3 数学模型及边界条件
描述流体在设备内部流动的方程包括连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

采用密度基稳态求解，数值计算采用标准 k － ω模型下的低雷诺数适用模型，求解格式采用隐式 Im-plicit 格式，通量类型采用 Roe － FDS，梯度求解采用Green － Gauss Node Based 格式，流动等方程采用二阶迎风格式，收敛精度为 10－ 5。采用多参考坐标系模型MRF 方法，定义动区域( 流体区域中筒体内随叶片转动的流体部分)的流体相对与绝对坐标系旋转运动，转速为50r/min;定义螺旋面相对与动区域静止，其他壁面采用无滑移固体壁面，所有壁面材料为钢;根据表面粗糙度对照表，粗糙度设置为 4． 6 ×10－ 5m，粗糙度常数为0．5。采用质量流量进口边界条件，流量为9t / h，压力出口边界条件 、出口压力分别是 0 ． 4 、0 ．5 、0 ． 6 、0． 8MPa。

1． 4 压力场分析
图4 为出口压力分别是0．4、0．5、0．6、0．8MPa 时设备内部压力场分布云图。
从图4 可以看出:压缩段压力逐渐增大，且最大压力出现在压缩段最后一个螺旋叶片处。这是因为随着螺距间空间体积的逐步减小，螺旋流道逐渐变窄，流体体积不断压缩，流体抵御变形对螺旋叶片的反向作用力逐渐增大，在螺旋叶片末端流道最窄处达到最大压力，螺旋叶片末端处的挤压效果较好。提取了不同出口压力 Poutlet的情况下内部压力场压力的最大值 Pmax进行比较，具体数据和趋势如表 1 和图 5 所示。对比数据和趋势线图可以看出:最大压力值随着出口压力的增大基本上呈线性变化趋势。这说明，出口压力越大，相对应的物料所受到的压力也越大，挤压效果也越明显。





2 单向耦合强度分析

2． 1 定义材料参数及施加载荷
定义螺旋轴的材料为结构钢，弹性模量为2e11Pa，泊松比为0．3。对螺旋轴的前后两个圆形端面施加固定约束。叶片背部受力非常小，忽略不计，只加载Fluent 计算结果中的流体区域中螺旋叶片主承压面所对应的面受到的载荷。

2． 2 计算结果分析
图6 为出口压力分别为 0． 4、0．5、0． 6、0． 8MPa 时螺旋叶片应力分布云图(单位:MPa)和位移响应云图(单位:mm)。


由应力分布云图和位移响应云图可以看出:受力较大的末端螺旋叶片其应力从叶片外沿到叶片根部呈增大趋势，在叶片的根部位置达到最大值Fmax;其位移从叶片根部到叶片外沿呈增大趋势，在叶片的外沿位置达到最大值 Smax;压缩段螺旋叶片根部是危险截面，特别是最后一个螺旋叶片末端的叶片根部，设计时应重点考察其强度。不同出口压力 Poutlet下的应力、位移最大值如表2 所示，出口压力与应力和位移的关系趋势见图7。

对比数据和趋势线图可以看出:随着出口压力的增大，螺旋叶片所受到的最大应力基本呈线性增大趋势，螺旋叶片所产生的最大应变也基本呈线性增大趋势。这表明，随着出口压力的增大，增加了危险截面处的危险程度。因此，设计时应根据设计压力重点考察。

3 结论
1) 螺旋挤压脱水机输送段只起到输送流体的作用，没有挤压效果;压缩段压力逐渐增大，且最大压力出现在压缩段最后一个螺旋叶片处，螺旋叶片末端处的挤压效果较好;最大压力值随着出口压力的增大基本上呈线性变化趋势，合理增大出口压力能提高设备的挤压脱水效果。
2) 螺旋叶片其应力从叶片外沿到叶片根部呈增大趋势，在叶片的根部位置达到最大值;其位移从叶片根部到叶片外沿呈增大趋势，在叶片的外沿位置达到最大值;螺旋叶片根部是危险截面;随着出口压力的增大，螺旋叶片所受到的最大应力基本呈线性增大趋势，螺旋叶片所产生的最大位移也基本呈线性增大趋势。
参考文献（略）