秸秆螺旋挤压脱水机叶片强度和变形的流固耦合分析

张龙龙，贺李萍，常　春,2，白　净,2，陈俊英,2，方书起,2

(1.郑州大学 化工与能源学院，郑州　450001；2.生物质炼制技术与装备河南省工程实验室，郑州　450001)



秸秆螺旋挤压脱水机叶片强度和变形的流固耦合分析

张龙龙1，贺李萍1，常春1,2，白净1,2，陈俊英1,2，方书起1,2

(1.郑州大学 化工与能源学院，郑州450001；2.生物质炼制技术与装备河南省工程实验室，郑州450001)

摘要：运用数值模拟方法，对秸秆螺旋挤压脱水机进行了流固耦合模拟分析，建立了秸秆浆料的流体模型，用Fluent软件模拟了不同出口压力条件下，螺旋挤压脱水机内部压力场分布，并据此对螺旋挤压脱水机的挤压性能进行了分析。同时，通过Workbench -Fluent单向流固耦合的方式，对螺旋叶片的强度和变形进行了分析，得出了出口压力和叶片强度的关系。

关键词：秸秆；螺旋挤压脱水机；流固耦合；强度分析

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[1-2]。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[3-4]，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[5]，且研究表明进料的含水率对汽爆效果有重要的影响[6]，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[7-8]，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[9-10]，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.调速电机　2.减速器　3.进料仓

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[11]，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。

图2　三维实体建模

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。

图3　模型网格划分

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[12]。

1)连性方程为

2)动量守恒方程为

3)能量守恒方程为

其中，fi为流体的质量力(N)；μ为流体的粘度系数(Pa·s)；k为传热系数[W/(m2·K))；ρ为流体密度(kg/m3)；ST为粘度耗散项(J/s)；T为温度(K)；Cp为比热容[J/(kg·K)]。

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Implicit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。

图4　4种出口压力下的设备内部压力场

图5　不同出口压力与最大压力关系

Table 1The maximum pressure under different outlet pressureMPa

PoutletPmax0.40.580.50.72

续表1

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)。

图6　4种出口压力下螺旋轴的应力和位移

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。

表2　同出口压力下最大应力Fmax与最大位移Smax结果

图7　不同出口压力与最大应力、位移关系

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：

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[10]杨欢，戴凌汉.挤压过滤设备双螺杆的有限元分析[J].过滤与分离，2011,21(2)：26-28.

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[12]陶文铨. 数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2003:347-360.

Fluid-solid Coupling Analysis of Blade Strength and Deformation in Screw Extruder of Straw

Zhang Longlong1, He Liping1, Chang Chun1,2, Bai Jing1,2, Chen Junying1,2, Fang Shuqi1,2

(1.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001 China；2.Engineering Laboratory of Henan Province for Biorefinery Technology and Equipment, Zhengzhou 450001, China)

Abstract：Using numerical simulation method for fluid-solid coupling simulation analysis of screw extruder of straw,a fluid model of straw slurry is established, Fluent has been used to study internal distribution of pressure field of screw extruder of straw under different outlet pressure, accordingly extrusion performance of screw extruder has been analyzed.Workbench-Fluent unidirectional fluid-solid coupling mode has been used to analyze the strength and deformation of spiral blade , the relationship between outlet pressure and blade strength is obtained.

Key words：straw; screw extruder; fluid-solid coupling; strength analysis

文章编号：1003-188X(2016)02-0026-05

中图分类号：S226.7；TQ022.4

文献标识码：A

作者简介：张龙龙(1988-)，男，河南洛阳人，硕士研究生。通讯作者：方书起(1964-)，男，山东冠县人，教授，(E-mail)fangsq@zzu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(21176227)

收稿日期：2015-01-30