攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元模擬

攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元模擬吳玉國(guó);吳勝;遲開紅;時(shí)禮平;陳彬【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)的推進(jìn)式和框式攪拌器在用于高黏度物料攪拌時(shí)存在攪拌范圍小、死角多和物料自動(dòng)爬升等問(wèn)題，提出一種新型的螺旋式攪拌器，介紹該型攪拌器的設(shè)計(jì)方法，給出螺旋線的理論方程，運(yùn)用Solidworks建立攪拌器的三維模型并進(jìn)行流場(chǎng)分析和數(shù)值模擬.結(jié)果表明:該攪拌器能夠在較大范圍內(nèi)進(jìn)行攪拌，并克服了物料的自動(dòng)爬升現(xiàn)象，為多功能食品攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考.％Thetraditionalpropelleragitatorsandgateagitatorsareusedforstirringhighviscositymaterials.However,thoseagitatorshavemanydisadvantages,suchassmallscope,manydeadanglesandclimbingbythepoleautomatically.Givingthesedisadvantages,anewscrewagitatorhasbeenputforward.Thestructuredesignandhelixtheoryequationofthisnewagitatorwasemployed.3DmodeloftheagitatoraresetupthoughtheapplicationofSolidworks.Meanwhile,theflowfieldanalysisandnumericalsimulationarealsopresented.Itisshownthistypeofagitatorcanstirthematerialsinagreaterscope.Atthesametime,itcanovercometheshortcomingofmaterialsautomaticclimbing.Itprovidesstructuredesignformultifunctionalfoodblenders.【期刊名稱】《食品與機(jī)械》【年(勤期】2013(029)002【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P130-132,189)【關(guān)鍵詞】螺旋式攪拌器;軸向流;徑向流;高黏度;流場(chǎng);有限元模擬；CFX【作者】吳玉國(guó);吳勝;遲開紅;時(shí)禮平;陳彬【作者單位】安徽工業(yè)大學(xué)，安徽馬鞍山243032【正文語(yǔ)種】中文多功能食品攪拌機(jī)是饅頭、方便面等面食類食品加工中的主要機(jī)器，廣泛用于面點(diǎn)房、賓館、餐館及家庭制作蛋糕、面點(diǎn)等各種食品的加工［1~3］。攪拌器的流型對(duì)攪拌機(jī)的攪拌功率特性、攪拌用時(shí)和物料的攪拌質(zhì)量等性能有著非常重要的影響。攪拌器作為攪拌機(jī)中最重要的零部件，它的設(shè)計(jì)直接決定了攪拌機(jī)設(shè)計(jì)的可行性［4］。根據(jù)流體流動(dòng)形態(tài)，攪拌器可分為軸向流攪拌器（如推進(jìn)式攪拌器等）、徑向流攪拌器（如錨式攪拌器和框式攪拌器等）和混合流攪拌器。推進(jìn)式攪拌器一般有三瓣葉片（見圖1）,攪拌時(shí)，流體由攪拌器上方吸入，由下方流出，流體至容器底再沿壁面返至攪拌器上方，形成軸向流。推進(jìn)式攪拌器一般只能用于低黏度物料攪拌，用于高黏度攪拌時(shí)，攪拌范圍僅限于攪拌器附近，而離攪拌器較遠(yuǎn)的地方流速比較慢，攪拌效果不明顯，在應(yīng)用于高黏度攪拌時(shí)比較乏力。錨式及框式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（見圖2）,其外緣與槽壁間隙很小，攪拌物料時(shí)不易產(chǎn)生死角，但在高黏度物料的攪拌過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)物料的自動(dòng)爬升現(xiàn)象［5~7］,不利于攪拌。圖1推進(jìn)式攪拌器Figure1Propelleragitator圖2框式攪拌器Figure2Gateagitator針對(duì)現(xiàn)有食品攪拌器在用于高黏度物料的攪拌時(shí)遇到的攪拌范圍小、死角多及物料自動(dòng)爬升等問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)一種新型螺旋式攪拌器，攪拌器的前段部分采用等角對(duì)數(shù)螺旋線，攪拌器中段采用阿基米德螺旋線，用最小二乘法將兩段曲線進(jìn)行擬合，在Solidworks軟件中建立三維模型，并使用ANSYSCFX軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析。1螺旋線的理論方程及三維模型的建立攪拌器分為前端和后端兩部分，攪拌器下半部分的攪拌時(shí)間要比上半部分多，其上半部分主要起到連接下半部分?jǐn)嚢杵鞯淖饔?，并且起到一定的攪拌作用，所以攪拌器螺距做成上大下小的形式。攪拌器的前段部分采用等角?duì)數(shù)螺旋線來(lái)設(shè)計(jì)，這樣有利于物料的攪拌，而且適合攪拌桶的形狀。攪拌器中段采用阿基米德螺旋線［8］，攪拌器的前段與中段用最小二乘法將兩段曲線進(jìn)行擬合。在Solidworks軟件中建立三維模型，并使用CFX對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。1.1等角對(duì)數(shù)螺旋線前段部分等角對(duì)數(shù)螺旋線母線方程［9］:式中：p0 初始極徑，mm;P——半錐角，°；0——螺旋轉(zhuǎn)角，°；a——螺旋角，即螺旋線的切線和圓錐面的母線之間的夾角，°。根據(jù)式(1)，當(dāng)選取等角對(duì)數(shù)螺旋線的設(shè)計(jì)參數(shù)為B=40.6°,a=53.22°,p0=8mm。使用matlab軟件即可得到等角對(duì)數(shù)螺旋線的形狀見圖3。圖3等角對(duì)數(shù)螺旋線Figure3Isometriclogarithmicspiralline1.2阿基米德螺旋線中段阿基米德螺旋曲線母線方程［9］:式中：R——圓柱半徑，mm;0——螺旋轉(zhuǎn)角，°。根據(jù)式(2)，當(dāng)選取螺旋線半徑R為24mm。使用matlab軟件即可得到阿基米德螺旋線見圖4。圖4阿基米德螺旋線(R=24)Figure4Archimedesspiralline(R=24)1.3螺旋線擬合兩條曲線在連接的地方，由于曲率不同，很難順滑過(guò)度，為了更好的將兩條曲線進(jìn)行擬合，修改螺旋線的螺旋角a,并在兩條螺旋線交接的端點(diǎn)附近選取若干點(diǎn)pi(i=1,2,……，m),根據(jù)最小二乘法的原理，使各數(shù)據(jù)點(diǎn)到所擬合曲線S的距離的平方和達(dá)到最小值［10］：式中：pi(i=12...,m)——擬合曲線的參數(shù)，是三維數(shù)據(jù)點(diǎn)。擬合后螺旋線的結(jié)果見圖5。使螺旋角變化均勻，這樣能夠得到順滑的螺旋線，使受力比較均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較少，產(chǎn)生的變形較小，從而使偏心力變小，延長(zhǎng)攪拌器的使用壽命。螺旋線在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲線具有勻速擴(kuò)張的特性。能夠很好的滿足攪拌器的設(shè)計(jì)要求，有利于面團(tuán)的均勻攪拌。1.4攪拌器三維模型的建立攪拌器的螺旋線曲面造型采用Solidworks軟件中“掃描”命令，即可完成攪拌器的三維模型的建模見圖6。2攪拌器流場(chǎng)的有限元模擬圖5擬合后螺旋線Figure5Thefittinghelix為了分析螺旋式攪拌器的攪拌性能，對(duì)螺旋式攪拌器進(jìn)行流場(chǎng)分析。將得到的攪拌器三維模型導(dǎo)入CFX軟件中，選擇整個(gè)攪拌桶為計(jì)算域，將整個(gè)計(jì)算域分為攪拌器所在的旋轉(zhuǎn)域和攪拌桶所在的靜止域，采用正四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格化分［11~13］,結(jié)果見圖7。將所得到的網(wǎng)格文件導(dǎo)入CFX的前處理軟件CFX-Pre中設(shè)置流體參數(shù)及邊界條件，然后生成計(jì)算文件，再導(dǎo)入CFX-Solver進(jìn)行模擬［14~16］。以物料黏度為8640cP的面粉為例，可以得到螺旋式攪拌器在攪拌面粉時(shí)的流場(chǎng)流線圖見圖8。圖6攪拌器三維模型Figure6Agitatorthree-dimensionalmodels3結(jié)果與分析圖7網(wǎng)格示意圖Figure7Griddiagram圖8攪拌桶內(nèi)流場(chǎng)流線圖Figure8Theflowdiagramoftheflowfieldinstirringbarrels通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)提出的螺旋式攪拌器的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，攪拌器的流場(chǎng)流線分布云圖見圖8。由圖8可知，攪拌器內(nèi)流場(chǎng)分布比較均勻，面團(tuán)的流動(dòng)區(qū)域較大，幾乎充滿整個(gè)攪拌區(qū)域，攪拌死角很少，能夠在整個(gè)攪拌區(qū)域內(nèi)很好的達(dá)到充分?jǐn)嚢璧男Ч牧鲌?chǎng)的整體流速分布圖（圖9）中能夠看到，在攪拌器下方流體的流速方向是向下并沿軸向旋轉(zhuǎn)的，這是由于螺旋式攪拌器的螺旋設(shè)計(jì)和無(wú)桿設(shè)計(jì)，使攪拌器在攪拌時(shí)會(huì)推動(dòng)面團(tuán)向下運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生爬升，面團(tuán)的爬升現(xiàn)象能夠得到很好的改善，而且比傳統(tǒng)的框式攪拌器的阻力要小得多。圖9攪拌桶內(nèi)流場(chǎng)矢量圖Figure9Thevectordiagramoftheflowfieldinstirringbarrels圖10中截面速度分布圖Figure10Velocityprofileinthecross-section圖11中截面壓力分布圖Figure11Pressuredistributioninthecross-section為了進(jìn)一步分析攪拌桶內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)情況，選取流場(chǎng)中截面流速圖（圖10）。由圖10可知，在攪拌桶靠近外緣的部位流速較大，而靠近中心的地方的流速較小，這是因?yàn)榇颂幍牧鲌?chǎng)的速度方向以向下為主，徑向速度較小，流場(chǎng)的流速?gòu)闹行牡酵膺吘壥前匆欢ㄌ荻茸兓?，這是有利于攪拌的。圖11為螺旋式攪拌器流場(chǎng)壓力分布圖。由圖11可知，在靠近攪拌桶壁處，壓力較大，需要合理控制攪拌器與攪拌桶壁之間的間隙，太大容易產(chǎn)生攪拌死角，不利于充分?jǐn)嚢?，太小則會(huì)使攪拌器和攪拌桶受力過(guò)大，產(chǎn)生破壞。4結(jié)論通過(guò)數(shù)值模擬得到此新型螺旋式攪拌器可以實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)進(jìn)行攪拌，且速度分布均勻，對(duì)于傳統(tǒng)的推進(jìn)式在用于高黏度物料的攪拌時(shí)遇到的攪拌范圍較小、死角較多的問(wèn)題有很大的改善。由于攪拌器的螺旋式設(shè)計(jì)和無(wú)桿設(shè)計(jì)，使得攪拌器能夠克服物料的自動(dòng)爬升現(xiàn)象，改善了攪拌器的結(jié)構(gòu)性能。參考文獻(xiàn)HoracioV,JoeyK.Anewsimplifiedmathematicalmodelforaswitchedreluctancemotorinavariablespeedpumpingapplication[J].Mechatronics,2004(14):1055~1068.DavidC,HoangLH.Designandoptimizationofatorquecontrollerforaswitchedreluctancemotordriveforelectricvehiclesbysimulation[J].MathematicsandComputersinSimulation,2006(71):333-344.3焦海亮，包雨云，黃雄斌，等.高黏度流體混合研究進(jìn)展[」].化工進(jìn)展，2007,26(11):1574-1582.4劉海燕，龐明軍，魏進(jìn)家，等.非牛頓流體研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[JL應(yīng)用化工，2010,39(5):194-200.5陳登豐.攪拌器和攪拌容器的發(fā)展[J].壓力容器，2008,25(2):33-46.6李力.高黏度流體的復(fù)合式攪拌[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.7曹玉華，徐寧，黎俊杰.三色冰淇淋機(jī)攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].食品工業(yè)科技，2007(8):21-23.8侯衛(wèi)平，鐘蘇麗.基于UGNX的變螺距螺旋面風(fēng)道的設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械，2011,27(4):104-105.9翟雪琴，葛建兵，陳立峰.混凝土攪拌車攪拌葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(5):72-74.10蘇步青.微分幾何[M].北京：人民教育出版社，1979.11楊琳琳，吳高杰，陳劍佩，等.螺帶螺桿攪拌釜中高黏流體的CFD模擬計(jì)算[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,35(5):693-700.12黃娟，鮑杰，戴干策.螺帶型葉輪攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)分析與計(jì)算[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，,10(5):833-841.13張靖，陳兵