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基于数值模拟改进制备玻璃/铝基复合材料搅拌设备的研究

作　者: 赵华杨
导　师: 李如燕
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 玻璃/铝基复合材料螺杆式搅拌桨多相流模型混合效率非牛顿流体
分类号: TQ051.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 35次
引　用: 2次
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内容摘要

本文研究的是以废玻璃和废铝作为原材料,采用搅拌铸造的方法制备玻璃／铝基复合材料过程中搅拌桨结构的改进。通过搅拌桨在搅拌槽内的搅拌作用将玻璃颗粒均匀地混入熔融的铝中,该复合材料融合了玻璃硬度高和铝韧性好的特点,是一种成本低廉的轻质耐磨材料。在制备过程中,由于玻璃的密度比铝小,在搅拌过程中容易出现玻璃颗粒浮在铝液表面不能均匀分散的现象,所以如何将玻璃颗粒均匀地混入铝液是制备玻璃/铝基复合材料的一个关键。针对目前使用的搅拌桨存在玻璃颗粒在铝液分散不均匀的问题,作者在实验的基础上,应用计算机辅助设计和计算(计算流体力学方法)对搅拌设备中的搅拌桨做了改进和优化,目的是使玻璃颗粒在铝液中的分散更加均匀。与此同时缩短搅拌时间、降低搅拌桨转速、减小搅拌桨搅拌功率,以提高搅拌桨的搅拌效率,进而减少制得的复合材料的缺陷以及提高玻璃颗粒在铝液中的掺入量。计算流体力学(CFD)方法作为一种高效、经济、可靠的方法,在化工、冶金等领域的应用已经十分广泛,而且主要集中于搅拌设备的设计和优化。本文使用商业CFD软件FLUENT 6.3对制备玻璃/铝基复合材料使用的搅拌桨进行改进和优化,并通过实验做了验证。玻璃颗粒与铝液的混合体系是两相流混合体系,其中铝液是一种非牛顿流体,玻璃颗粒是连续颗粒流,FLUENT中的EULERIAN多相流模型可以较为准确地对二者的搅拌混合过程做模拟计算。本文第一次通过建立玻璃颗粒和铝液两相混合流场的数值模型,获得了目前使用的搅拌桨在搅拌混合过程的流场分布情况,并对流场做了详细的分析。分析结果发现造成目前使用的搅拌桨混合效率低的主要原因在于搅拌桨的结构不合理,所以玻璃颗粒不能有效地从液面输送至槽底、搅拌桨提供的能量没有得到有效利用。针对这个问题作者用螺杆式搅拌桨替代目前使用的搅拌桨,并对使用螺杆式搅拌桨搅拌混合玻璃颗粒和铝液的流场做了模拟计算。分析不同搅拌桨的模拟计算结果发现,相对于目前使用的搅拌桨,螺杆式搅拌桨的搅拌混合时间减少了30%,搅拌桨转动速度降低了40%,玻璃颗粒在铝液中的分散性明显改善,同时改进后的搅拌桨搅拌所需功率只是改进前的44%。最后通过验证性实验进一步检验了数值模拟得到的搅拌桨的混合效果。实验结果显示,相对于目前使用的搅拌桨,使用模拟改进后的搅拌桨明显改善了制备的玻璃／铝基复合材料中玻璃颗粒分散的均匀性,减少了材料内部的缺陷,降低了搅拌桨的磨损,搅拌混合时间减少约25%,玻璃颗粒在铝液中的掺入量的增加约7%,改进前后搅拌桨节约能量约67%。实验结果与模拟计算得到的结果基本吻合。本文的创新点在于将欧拉多相流模型引入了搅拌法制备玻璃/铝基复合材料的搅拌流场的模拟,并且对非牛顿流体的模拟做了尝试。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题来源  9
  1.2 玻璃/铝基复合材料研究进展  9-11
  1.3 数值模拟在复合材料领域的应用  11-12
  1.4 计算流体力学的介绍  12-15
    1.4.1 计算流体力学的发展  12-13
    1.4.2 CFD软件的介绍  13
    1.4.3 FLUNET软件在搅拌桨流场模拟中的应用  13-15
  1.5 研究意义  15-17
第二章研究目的、内容及数值模拟参数设定  17-27
  2.1 研究目的  17-18
  2.2 研究内容  18-19
  2.3 数值模拟参数的设定  19-27
    2.3.1 数学模型控制方程  19-20
    2.3.2 几何模型参数  20-22
    2.3.3 流体模拟参数  22-26
    2.3.4 计算参数  26-27
第三章搅拌桨优化设计研究  27-53
  3.1 目前使用的搅拌桨的流场模拟  27-34
    3.1.1 结构模型  27
    3.1.2 数值计算模型  27-29
    3.1.3 数值模拟结果分析  29-34
  3.2 新搅拌桨的选取  34-35
  3.3 新搅拌桨的流场的数值模拟  35-39
    3.3.1 结构模型  35
    3.3.2 数值计算模型  35-36
    3.3.3 数值模拟结果分析  36-39
  3.4 新旧搅拌桨数值模拟结果对比分析  39-51
    3.4.1 速度场对比分析  39-43
    3.4.2 玻璃颗粒体积分数变化情况对比分析  43-46
    3.4.3 搅拌混合时间对比分析  46-48
    3.4.4 压力云图对比分析  48-49
    3.4.5 搅拌功率对比分析  49-51
  3.5 小结  51-53
第四章数值模拟结果与验证实验结果对比分析  53-65
  4.1 验证性实验  53-55
    4.1.1 实验原料  53
    4.1.2 实验装置  53-54
    4.1.3 实验流程  54-55
  4.2 实验结果分析  55-62
    4.2.1 混合效果对比  55-57
    4.2.2 单位质量铝液中玻璃的加入量对比  57-58
    4.2.3 混合时间对比  58-60
    4.2.4 新旧搅拌桨形成的漩涡对比  60
    4.2.5 能量消耗对比  60-61
    4.2.6 玻璃加入方式对混合的影响  61-62
  4.3 小结  62-65
第五章结论与展望  65-67
  5.1 结论  65
  5.2 展望  65-67
参考文献  67-73
致谢  73-75
附录作者在攻读学位期间发表的学术论文  75

基于数值模拟改进制备玻璃/铝基复合材料搅拌设备的研究

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