CN114377569B - 一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片结构，其中包括，叶片本体的工作面、背压面、外缘及叶片尾部平滑连接处，叶片所附着的桨轴，叶片工作面凸起半球结构，叶片尾端羽翼结构。叶片工作面非光滑的半球结构能够有效减缓高粘流体对叶片表面的冲击阻力，同时对来流所产生的大涡流进行切割，引导为无数小涡流，对液体进行了充分的搅拌分离，叶片尾端的羽翼结构能够减少来流阻力，有效改善和引导尾流流动状态。仿生搅拌叶片通过Fluent软件进行反复测试论证后，例如搅拌液体为浓度0.85％CMC溶液，搅拌桨转速为150rpm，相比光滑无仿生结构的叶型，搅拌流体的平均速度提高了0.005m/s，扭矩减小了0.02N·m，提高了搅拌效果，符合发展绿色环保产业新理念。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌领域，特别涉及一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片。
背景技术
机械搅拌用于物料的掺混、传质、混合等，常应用于食品、化工、建筑等行业，搅拌所混合的流体往往是属于非牛顿流体，具体特殊的流变特性，在搅拌混合时表现处不同的粘度特性，在搅拌过程中，由于非牛顿流体的特殊流变性质，且流体一般处于湍流状态，极易诱导槽内二次流及叶轮周围大尺度涡产生，从而造成搅拌系统运行稳定性大幅下降，而且搅拌桨在长期使用的条件下，会造成叶片结构的疲劳与损坏。
随着仿生技术与搅拌行业的发展，学科交叉在各个领域越来越受到重视，此前仿生技术多应用与风机水泵行业，未在搅拌行业进行充分发展与应用，因此设计一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片来解决上述问题是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片，包含叶片本体，叶片本体包括工作面（1），外缘（2），叶片尾部平滑连接处（3），叶片所附着的桨轴（4），背压面（5），叶片工作面凸起的半球结构（6），叶片尾端羽翼结构（7）。
进一步的，所述叶片的叶片数 Z=3，沿轴一周分布，所述的仿生叶片的直径为d，整体叶片连轴直径为D=2.8d，叶片厚度为0.024—0.028d，叶片外缘处采用圆弧结构，叶片整体外形呈外窄内宽，三维空间扭曲状结构。
进一步的，叶片安装角为29—31度，叶片迹线为三维曲线，沿轴向方向为向上抛物线。
进一步的，叶片波峰所在弦长为0.98-1.05d，尾端弦长/>0.16-0.33d，各截面弦长与曲率半径之比控制在/>0.6-0.65之间。
进一步的，每个羽翼结构（7）形状大小相同，为倒圆梯形结构，羽翼结构（7）个数a=3，在叶片工作面下部中端平行排列布置，羽翼长度0.167d，其中依照远离轴布置的羽翼结构（7），与叶片接触的长度依次为/>0.133d，/>0.117d，/>0.1d。
进一步的，叶片工作面下部中端平行排列布置羽翼结构（7）结构，其中两个羽翼结构（7）间距为=0.167d，羽翼结构（7）倾斜角与Z轴相对角度为75度。
进一步的，叶片工作面布置的凸起部分为半球结构（6），半圆球直径为0.033d，凸起半球结构沿迹线方向均匀排布。
进一步的，叶片工作面半球结构控制在90-100个，沿叶片长度方向，两个半球结构间距为=0.067d，沿叶片宽度方向，两个半球结构间距为/>0.05d。
进一步的，叶片本体结构采用316不锈钢，凸起半球结构（6）及羽翼结构（7）表面涂覆特殊高分子树脂活性材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的一种仿生搅拌叶片，叶片本体三维空间状扭曲结构及叶片外缘圆弧结构可有效搅拌剪切流体，叶片外形外窄内宽，充分其圆周速度大的特点提高叶片做功能力。
2.叶片工作面凸起半球结构可有效减缓流体对叶片表面的冲击阻力，流体冲击工作面时，半球结构将大涡流切割为小涡流，使流体作用的更加缓和，流体分离更加稳定，同时半球结构间隙为叶片的光滑工作面，流体先接触半球结构其次接触工作面表面，这样使得切割两次流团，对流体进行有效分离，使其成为理想液流。
3.倒圆梯形羽翼结构布置在叶片工作面尾端，该结构引流和改善尾涡效果最为明显，该结构减小了流体的紊乱状态，起到良好的导流作用，有助于提高叶片工作效率，对多工况运行具有良好的适应能力。
4.本发明相对于叶片表面无半球结构及羽翼结构，在Fluent验证中采用0.85%CMC溶液为搅拌液，以150rpm进行，其中流场的平均流速提高了0.005m/s，扭矩减小了0.02N·m。
5.叶片本体结构采用316型不锈钢具有较高的耐热性、耐腐蚀性及焊接性能，对过酸过碱的搅拌物都有良好的抵抗性能，凸起半球及羽翼结构表面涂覆的高分子树脂活性材料，使其具有更优的耐老化，耐侵蚀，延长了搅拌叶片的使用寿命。
6.本发明有效利用仿生结构，最大幅度的降低了叶片表面阻力，使其充分做功，提高了搅拌效率。
附图说明
要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明叶片结构底视图。
图3是本发明凸起半球结构及羽翼结构局部放大图。
图1中，1-工作面、2-叶片外缘、3-叶片尾部平滑连接处、4-桨轴、5-背压面、6-半球结构、7-羽翼结构。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明做进一步阐述：
如图所示，一种仿生搅拌桨叶，包含叶片本体，叶片本体包括工作面1，外缘2，叶片尾部平滑连接处3，叶片所附着的桨轴4，背压面5，叶片工作面凸起的半球结构6，叶片尾端羽翼结构7。叶片的叶片数 Z=3，沿轴一周分布，所述的仿生叶片的直径为d，整体叶片连轴直径为D=2.8d，叶片厚度为0.024—0.028d，叶片外缘处采用圆弧结构，叶片整体外形呈外窄内宽，三维空间扭曲状结构，此结构对流体有较好的搅拌剪切作用，其中叶片安装角为/>29—31度，叶片迹线为三维曲线，沿轴向方向为向上抛物线，叶片波峰所在弦长为0.98-1.05d，尾端弦长/>0.16-0.33d，各截面弦长与曲率半径之比控制在/>0.6-0.65之间。
如图所示，每个羽翼结构7单元形状大小相同，为倒圆梯形结构，羽翼结构7个数a=3，在叶片工作面下部中端平行排列布置，羽翼结构7长度0.167d，其中依照远离轴布置的羽翼结构7，与叶片接触的长度依次为/>0.133d，/>0.117d，/>0.1d，叶片工作面下部中端平行排列布置羽翼结构7，其中两个羽翼结构7间距为/>=0.167d，羽翼结构7倾斜角与Z轴相对角度为75度，羽翼结构7单元的布置将大尺度的脱落涡进行耗散，该结构引流和改善尾涡效果最为明显，减小了流体的紊乱状态，起到良好的导流作用，同时当叶片作用流体以后，减少叶片表面阻力，有助于提高叶片工作效率，对多工况运行具有良好的适应能力。
如图所示，叶片工作面布置的凸起部分为半球结构6，圆球直径为0.033d，圆球沿迹线方向均匀排布，叶片工作面半球结构控制在90-100个，沿叶片长度方向，两个半球结构6间距为/>=0.067d，沿叶片宽度方向，两个半球结构6间距为/>0.05d，此结构能够有效减缓流体对叶片表面的冲击阻力，流体冲击工作面时，半球结构6将大涡流切割为小涡流，使流体作用的更加缓和，流体分离更加稳定，同时半球结构间隙为叶片的光滑工作面，流体先接触半球结构其次接触工作面表面，这样使得切割两次流团，对流体进行有效分离，使其成为理想液流。
整体叶轮搅拌单元采用设置新颖结构，在Fluent模拟软件中进行充分的验证，可有效提高搅拌效率，采用特殊材料，提高了叶片使用寿命，对发展绿色环保新理念具有潜在的社会价值和经济效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片，其特征在于，所述的仿生叶片包含叶片本体，仿生叶片本体的叶片数 Z=3，沿轴一周分布，叶片本体包括工作面（1）、叶片外缘（2）、叶片尾部平滑连接处（3）、叶片所附着的桨轴（4）、背压面（5）、叶片工作面凸起的半球结构（6）和叶片尾端羽翼结构（7），所述的仿生叶片的直径为d，整体叶片连轴直径为D=2.8d，叶片厚度为δ 1=0.024—0.028d，叶片外缘（2）处采用圆弧结构，叶片整体外形呈外窄内宽，所述叶片外缘呈圆弧结构，这使得叶片外形符合流线型，且使得仿生叶片三维空间呈扭曲状结构，所述仿生叶片的安装角为β =29-31度，叶片迹线为三维曲线，沿轴向方向为向上抛物线，叶片波峰所在弦长为0.98-1.05d，尾端弦长/>0.16-0.33d，各截面弦长与曲率半径之比控制在/>0.6-0.65之间，每个羽翼结构（7）形状大小相同，为倒圆梯形结构，羽翼结构（7）个数a=3，在叶片工作面下部中端平行排列布置，羽翼结构（7）长度/>0.167d，其中依照远离轴布置的羽翼结构（7），与叶片接触的长度依次为/>0.133d，/>0.117d，/>0.1d，叶片工作面下部中端平行排列布置羽翼结构（7），其中两个羽翼结构（7）间距为/>=0.167d，羽翼结构（7）倾斜角与Z轴的相对角度为75度，所述叶片工作面布置的凸起部分为半球结构（6），半球直径为d 1=0.033d，凸起半球结构沿迹线方向均匀排布，叶片工作面半球结构（6）控制在90-100个，沿叶片长度方向，两个半球结构（6）间距为n 2=0.067d，沿叶片宽度方向，两个半球结构（6）间距为n 3=0.05d，所述半球结构间隙为叶片的光滑工作面的一部分，倒圆梯形羽翼结构布置在叶片工作面尾端。
2.根据权利要求1所述的一种用于搅拌非牛顿流体的仿生叶片，其特征在于，叶片本体结构采用316不锈钢，半球结构（6）及羽翼结构（7）表面涂覆高分子树脂活性材料。
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