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密炼机二维流场的流固耦合分析
边慧光张俊岭汪传生
(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061)
摘要:本文利用ADINA软件对密炼机同步二棱和同步四棱转子的二维流场进行了模拟研究,实现真正意义上的流固耦合的模拟计算,并在后处理中对压力场、速度场、剪切应力场进行了理论分析,可以直观地观察到在不同的瞬时压力场、速度场、剪切应力场的变化情况,为转子优化设计提供数据参考。
关键词:同步转子有限元网格划分流场流固耦合
流体、固体动力耦合广泛存在于水利、船舶、海洋以及航空航天等多个工程领域中,是一个十分重要、多学科交叉的研究课题。近一个世纪以来,国内外学者对流体与固体的动力耦合理论和方法开展了广泛的研究,取得了许多的成果,近阶段随着数学方法的逐渐成熟,越来越多地应用于实际生产和大型工程中。
ADINA[1]可以做到即时流固耦合(Real-Time Two-Way Fluid-Structure Interaction)功能,用户可以在流固区间内对流体、固体各使用不同的网格,且可以在流固耦合边界使用不吻合的网格,程序依然可以快速处理流固双向耦合。除此之外,在流固互动过程中, ADINA可以自动重建分布网格,以避免因过度变形而造成网格扭曲,导致计算停止。ADINA中的FSI是真实的流固耦合,而非一般CFD软件的单纯可移动边界;其网格重建也非一般的ALE方法,而是真正的即时重建。本文就是利用上述流固耦合技术对密炼室内二维截面的流场进行模拟计算。


本文研究二维流场的模拟,采用的同步转子主要有以下二种类型,同步二棱转子的结构示意图如图1所示,同步四棱转子的结构示意图如图2所示。

图1 两棱同步转子示意图图2 四棱同步转子示意图
转子和密炼室的几何参数列表如表1所示:
表1转子和密炼室的几何参数列表单位 mm
参数
名称
基圆直径
剪切棱半径
非剪切棱半径
中心距
顶隙
棱顶宽度
容积
(L)
同步四棱
70
70
100
120
2
6

同步二棱
70
70
100
120
2
6


本文主要研究在密闭环境下完全充满胶料的流场模型,根据假设,流场为等温度场,即各点温度相同,故不考虑能量转换。首先给出广义的等温和不可压缩流体的偏微分控制方程。
(1)
(2)
(3)
(4)
式中:D/Dt——物质导数
V——速度
P——压力
——密度
G——重力
——额外应力张量
为了既描述在高剪切速率下的假塑性流体的流变性质,又描述在低剪切速率下牛顿流体的流变性质,本文采用Carreau[2]模型:
(5)
式中:—初始粘度,也就是零剪切速率时的粘度
—粘弹性的特征时间
—无穷剪切粘度
n—幂律指数
—混炼胶密度
其中:,=10,,n =,=1066Kg/m3
这些参数是110℃的条件下,测量混炼胶的各种参数而得到的。由n =,可以得知本文假设胶料的流体为塑性流体。
其中转子的材料采用45号钢,其物性参数为:泊松比v=,弹性模量E=,密度=7800Kg/m3。

有限元模型
坐标系