基于Polyflow与STAR-CCM 对SX静态混合器的数值模拟.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月基于 与 对 静态混合器的数值模拟纪 超 王建康 于 强 张 川(.天津科技大学机械工程学院 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津.西门子电气传动有限公司 天津 .天津立中车轮有限公司 天津)摘要:构建长度和直径均相同的空管与静态混合单元为 型()静态混合器 利用 与 软件模拟剪切稀化、剪切稠化、牛顿流体在空管与 静态混合器内的流动情况 重点分析了幂率指数、松弛时间、入口流量等参数对压降放大倍数及模拟结果相对误差的影响 结果表明 牛顿流体压降放大倍数与入口流量放大倍数成等比关系 剪切稀化流体压降放大倍数随松弛时间的增大而减小 随幂率指数的增大而增大 剪切稠化流体压降放大倍数随松弛时间、幂率指数的增大而增大 入口流量、松弛时间、幂率指数对压降相对误差影响较小 而对出口处最大/最小黏度相对误差影响较大关键词:静态混合器 数值模拟 压降放大倍数 幂率指数中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():(.):()./.:静态混合器是一种常见的混合装置 其内部结构可使流经的流体做多次分流和变向 使流体在径向和切向重新分配 进而达到均质、混合的效果 近年来随着各类计算流体力学()软件的不断开发和推广 很多学者利用数值模拟技术 研究静态混合器内部压力、温度、密度等流体参数变化情况 对流动过程有了更深刻、更直观的认识目 前 流 行 的 软 件 有 、和 等刘智铭等利用 软件对 型静态混合器在改善原油储罐中不同密度原油分层情况进行了模拟 采用三维不可压缩流场、多相流模型 经过计算得到储罐内原油的流动速度、密度、温度、压力等流体参数情况 软件官方案例介绍了静态混合器黏性流的设置和分析过程模拟混合器内材料的停留时间和流动产生的温度等级 甄一毫等利用 软件 对三种不同排列角度的 型静态混合器通过示踪粒子法 通信作者:王建康 男 年生 博士 副教授 主要从事塑料机械及模具等方面的研究 作者简介:纪超 男 年生 副高级工程师 主要从事机械设计与模拟仿真方面的研究 第 卷第 期纪 超 等:基于 与 对 静态混合器的数值模拟模拟了熔体在静态混合器内的流动情况和混合效果并采用后处理软件 重点分析了不同排列角度静态混合器的停留时间、压降及混合效果尽管研究人员对静态混合器的混合效果、混合单元、压降进行了大量的分析 但目前却很少看到对不同 软件模拟结果进行研究 文章利用 与 软件模拟剪切稀化、剪切稠化、牛顿流体在空管与 静态混合器内的流动情况 比较了两款软件的模拟结果 主要研究幂率指数、松弛时间、入口流量对压降放大倍数与模拟结果相对误差的影响 模型与计算方法 结构及网格划分 静态混合器相邻单元间成 排列 其中每个单元含 个板片 板片之间成 交叉 板片与轴向成 夹角 板片厚度 其结构示意图如图 所示 总长、入口长、出口长、混合单元长 及直径 分别取、和 混合元件数 为 另外 还建立了与上述静态混合器外形尺寸相同的空管模型图 静态混合器结构示意图 将 模型导入 软件进行网格划分 网格属性为四面体非结构化 单元边长 静 态 混 合 器 和 空 管 内 熔 体 的 网 格 数 分 别 为、个 为保证两款 软件使用相同的网格模型 将 划分的网格转化为 格式导入 使用 假设及控制方程对熔体在静态混合器内的流动做如下假设:)熔体为不可压缩的非牛顿流体)熔体的流动为层流)忽略惯性力和重力)熔体的密度、比热容、导热系数为恒定值)熔体在流道中充分流动)熔体与壁面之间无相对滑移)黏度不随温度变化根据上述假设条件 分别用公式()、()、()、()来表示熔体流动的连续性方程、动量方程 热传递方程 黏度与剪切速率采用 模型表述 如式()()()()()()()()()式中 速度矢量/压力 应力张量 温度 黏度 形变率张量 剪切速率 和分别为零剪切和无穷大剪切速率下的黏度 松弛时间 幂率指数、参数分别取值为 /()、/、/()边界条件熔体入口流量 、/出口压强 入口和壁面温度均为 零剪切黏度 无限剪切黏度 松弛时间 、幂率指数 、定 常 法 对 黏 度 采 用 迭 代法 通过给定问题的初始黏度 由 迭代公式 ()若 ()连续且 收敛则得到收敛解 采用相同边界条件与控制方程 利用稀疏直接求解器对未知数进行求解 自动模拟为减少手动调整参数时间 采用联合 软件的方法 使用 中集成模块 如图 所示 实现连续自动模拟图 模块 结果与讨论 与 对空管与 静态混合器塑 料 工 业 年 模拟结果的相对误差与压降放大倍数分别用公式()、()表示 通过计算得出压降相对误差受入口流量、松弛时间、幂率指数影响较小 空管压降相对误差 而 静态混合器压降相对误差 压降相对误差的差异可能是由于空管与 静态混合器两者的网格模型不同所导致相对误差 模拟结果()模拟结果 模拟结果()压降放大倍数入口流量 /对应压降入口流量 /对应压降()压降放大倍数以 模拟结果为研究对象 当流量增至初始值的 倍 即从 增至 /牛顿流体流过空管与 静态混合器对应压降 如表 所示 可以看出牛顿流体压降放大倍数与入口流量放大倍数成等比关系表 空管与 静态混合器对应压降 入口流量/(/)空管压降/静态混合器压降/图 为空管与 静态混合器的压降放大倍数曲线 从图 中可以看出 剪切稀化流体压降放大倍数随松弛时间的增大而减小、随幂率指数的增大而增大 剪切稠化流体压降放大倍数随松弛时间、幂率指数的增大而增大从 压降放大倍数曲线可以看出 松弛时间 、剪切稀化流体(幂率指数 、)随幂率指数的增加 压降放大倍数降速明显分别由 到 、到 松弛时间大于 随幂率指数的增大 压降放大倍数降速变缓分 别 为 、和 、松弛时间 、剪切稠化流体(幂率指数 、)随幂率指数的增加 压降放大倍数增速明显分别由 到 、到 松弛时间大于 压降放大倍数增速变缓分别为 、和 、因此 随松弛时间的增加 压降放大倍数初始阶段变化明显 之后逐渐趋于稳定从空管压降放大倍数曲线可以看出 松弛时间 随幂率指数的增大 压降放大倍数分别为、因此 松弛时间趋近零时 幂率指数对压降放大倍数影响较小 随松弛时间增大 空管压降放大倍数与松弛时间近似线性关系 压降放大倍数空管压降放大倍数图 压降放大倍数 剪切稀化流体黏度相对误差利用 与 模拟剪切稀化流体通过空管与 静态混合器 对出口处最大/最小黏度相对误差进行研究 模拟参数设置如下:幂率指数、松弛时间 、入口流量 、/图 为剪切稀化流体黏度相对误差从图 可以看出 出口处最大/最小黏度相对误差随入口流量、松弛时间的增大而增大 随幂率指数的增大而减小图、入口流量 /对应数值如表 所示 可以看出空管与 静态混合器出口处最大黏度相对误差趋近零 当入口流量、松弛时间逐渐增大 最大黏度相对误差趋于发散图、入口流量 /松弛时间、对应数值如表 所示 可以看出空管与 静态混合器随松弛时间的增加 最小黏度相对误差趋于一致第 卷第 期纪 超 等:基于 与 对 静态混合器的数值模拟表 剪切稀化流体最大黏度相对误差 松弛时间/静态混合器最大黏度相对误差/空管最大黏度相对误差/表 剪切稀化流体最小黏度相对误差 松弛时间/静态混合器最小黏度相对误差/空管最小黏度相对误差/幂率指数 对应最大黏度相对误差幂率指数 对应最大黏度相对误差幂率指数 对应 最小黏度相对误差幂率指数 对应空管最小黏度相对误差幂率指数 对应 最小黏度相对误差幂率指数 对应空管最小黏度相对误差图 剪切稀化流体黏度相对误差 剪切稠化流体黏度相对误差利用 与 模拟剪切稠化流体通过空管与 静态混合器 对出口处最大/最小黏度相对误差进行研究 模拟参数设置如下:幂率指数、松弛时间 、入口流量 、/图 为剪切稠化流体黏度相对误差从图 可以看出 出口处最大/最小黏度相对误差随入口流量、松弛时间、幂率指数的增大而增大图、入口流量 /松弛时间、对应数值如表 所示 可以看出空管与 静态混合器随松弛时间的增加 最大黏度相对误差逐渐趋于一致塑 料 工 业 年 表 剪切稠化流体最大黏度相对误差 松弛时间/静态混合器最小黏度相对误差/空管最小黏度相对误差/表 剪切稠化流体最小黏度相对误差 松弛时间/静态混合器最小黏度相对误差/空管最小黏度相对误差/幂率指数 对应 最大黏度相对误差幂率指数 对应空管最大黏度相对误差幂率指数 对应 最大黏度相对误差幂率指数 对应空管最大黏度相对误差幂率指数 对应最小黏度相对误差幂率指数 对应最小黏度相对误差图 剪切稠化流体黏度相对误差 图、入口流量 /对应数值如表 所示 可以看出空管与 静态混合器最小黏度相对误差趋近零 当入口流量、松弛时间逐渐增大 最小黏度相对误差趋于发散 结论)本文利用 软件模拟牛顿流体、剪切稀化流体、剪切稠化流体通过空管与 静态混合器 结果表明 在入口流量放大倍数相同的条件下压降放大倍数受幂率指数、松弛时间的影响呈不同趋势)通过 与 两款 软件在网格模型、假设及控制方程、参数设置相同的条件下 对压降、最大黏度、最小黏度等模拟结果进行对第 卷第 期纪 超 等:基于 与 对 静态混合器的数值模拟比分析 得出入口流量、松弛时间、幂率指数对压降相对误差影响较小 但因空管与 静态混合器流体内部结构不同导致空管压降相对误差 而 静态混合器压降相对误差 最大/最小黏度相对误差受剪切稀化与剪切稠化流体影响较大 并随入口流量、松弛时间的增大而增大 此对比试验可为科研人员在 软件选择时提供有效参考参 考 文 献 胡纪全 李志富 谢丹林.基于 对 型静态混合器的研究分析.石油化工设备技术 ():.():.禹言芳 李中根 孟辉波 等.静态混合器内瞬态流场 分析及混合特性研究.北京化工大学学报(自然科学版)():.().()():.:.():.胡珊 毛澍洲 邱光宇 等.应用于臭氧消毒系统的新型静态混合器结构设计.环境工程学报 ():.():.:.李昆 高立龙 陈春燕 等.热固型浇注 在静态混合器中的流动特性.山西化工 ():.():.张江伟.静态混合器的研究进展.中外能源 ():.():.刘智铭 董杰 谢禹钧.型静态混合器对原油混合特性影响的数值模拟.辽宁石油化工大学学报 ():.():./.:.:/./.甄一毫 王建康 李治建.不同排列角度 型静态混合器的数值模拟.塑料 ():.():.周锐.基于 对管式静态混合器的优化设计.武汉:华中科技大学:.:.:.李治建 王建康 甄一毫.不同结构静态混合器内熔体流动及混合效果的数值模拟.塑料 ():.():.毕超.软件基础及其在双螺杆挤出仿真过程中的应用.北京:机械工业出版社:.:./.:.:/?/.用 户 指 南 /.:.:/./.:.:/.(本文于 收到)