搅拌槽中,机械平衡较好的桨轴系统的重心几乎落在旋转轴线上,并且与容器中心线重合较好。然而,搅拌槽内流动结构(主要包括主体流动的循环圈、桨叶片背后的尾涡和湍流漩涡)具有不对称性和不稳定性(主要包括低频宏观不稳定性、叶片通过频率拟湍流的周期性和高频湍流的随机性),从而使得搅拌桨承受不均衡不稳定载荷,致使弹性搅拌轴发生侧向瞬时的弯曲,导致搅拌桨在旋转同时还存在不稳定的侧向运动,引起搅拌桨周围流体流动更加不均匀不稳定。这种动力学行为称为双向流固耦合,其发生在流动流体和柔性结构之间。搅拌槽运转时,搅拌轴的主要功能是将能量从电机传到搅拌桨上,此时搅拌轴需承受扭矩载荷。同时搅拌槽内复杂的流同耦合(FSI)引起搅拌桨侧向振动,使得搅拌轴还需承受不稳定的弯矩载荷。在搅拌设备的机械设计中,如果过低估计该载荷,会造成搅拌结构的塑性变形或疲劳失效。然而,由于搅拌槽内流固耦合动力学的复杂性,难以从理论上确定轴弯矩的大小。本文采用无线遥测力矩传感器,对涡轮桨(RT)和斜叶桨(PBT)搅拌槽内流固耦合引起的轴弯矩进行了测量,研究了轴弯矩的基本特性以及搅拌桨不平衡量、槽内液位和通气速率对轴弯矩的影响规律。通过对实验测量的轴弯矩的幅值和功率谱密度(PSD)分析,结果表明：轴弯矩幅值分布较好地符合Weibull分布,体现了搅拌轴弯曲变形后轴材料的弹性作用将轴拉回旋转轴线的特性；在满足N/fn>1/nb和N/fr<1条件的范围内(N、fn、fr和nb分别为操作转速、固有频率、共振频率和叶片数目),无量纲化平均轴弯矩随N/fr增加而呈现“V”形趋势,这是由于当N/fn接近1/nnb时,发生流体激励引起的流固耦合共振,与叶片通过频率相关的弯矩波动表现明显,当N/fr接近1时,发生搅拌结构质量不平衡引起的自激共振,转速频率的弯矩波动表现明显；随搅拌桨的质量不平衡量逐渐增大,轴弯矩平均值单调递增；当搅拌槽内液位与桨径之比H/D大于1.5(RT桨)或1.25(PBT桨)时,轴弯矩平均值变得稳定,当H/D大于2(RT桨)或1.7(PBT桨)时,轴弯矩平均值保持恒定；随气液搅拌槽的通气准数逐渐增加,相对轴弯矩平均值呈现“S”形变化趋势。然而,轴弯矩是搅拌桨上的流体载荷(压力和粘性应力)和搅拌桨轴的结构载荷(惯性力和重力)两者共同作用的复合结果,难以把流固耦合中流体作用和结构作用分开,因而通过测量轴弯矩的实验手段对搅拌槽内流固耦合难有更为深入的认识。并且,由于流固耦合作用使得流体载荷和结构载荷总是相互影响,直接单独测量流体载荷和结构载荷的实验难以实施。本文采用基于有限体积法(FVM)的计算流体动力学(CFD)和基于有限元法(FEM)的计算结构动力学(CSD)联合模拟方法,对RT桨搅拌槽内流固耦合进行了数值模拟。该联合模拟中,流固耦合界面附近流体的流动控制方程采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)坐标描述,网格运动的控制采用动网格和滑移网格相结合的方法。由CFD和CSD联合模拟的结果与实验数据吻合较好,桨功率准数相对误差在5%以内,无量纲化平均轴弯矩和标准偏差的最大相对误差均在15%以内。对桨上侧向力的幅值分析表明：无量纲化侧向流体力在不同转速下几乎保持常数,约为0.04；无量纲化侧向结构力随转速增加而缓慢增加,接近于简化的理论值；侧向流体力与结构力之间相位差的平均值接近90度。对桨上侧向力的功率谱密度分析表明：对侧向力波动起作用的频率主要是低频、转速频率和叶片通过频率,其中,该低频一直对侧向流体力的波动起显著作用,其源于搅拌槽内主体流动的宏观不稳定性；转速频率一直对侧向结构力的波动起明显作用,其源于搅拌结构的不平衡旋转：当搅拌结构明显不平衡时,转速频率通过流固耦合作用由搅拌桨的不平衡旋转诱导给流体,也对侧向流体力的波动起作用；当搅拌结构完全平衡时,叶片通过频率通过流固耦合作用由周期性湍流诱导给搅拌结构,对侧向结构力的波动起显著作用。在本文中,对流固耦合引起的轴弯矩进行了测量和分析,研究结果可为搅拌设备的机械设计提供轴弯矩数据,如幅值平均值、标准差和最大偏差。采用CFD和CSD联合模拟方法,对搅拌槽内流固耦合进行了数值模拟,得到流固耦合中流体作用和结构作用的关键信息有助于深入理解搅拌槽内流固耦合。