攪拌器混凝土沸騰特征模擬分析

田晉躍，王先鋒，楊寶林

（1.江蘇大學(xué) 工程機械研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇華通動力重工機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

混凝土流動特性是混凝土攪拌設(shè)備設(shè)計和運行中的1個經(jīng)典問題.國內(nèi)許多學(xué)者對混凝土攪拌特性的研究大多集中在設(shè)備結(jié)構(gòu)的特性和優(yōu)化上，基本沒有涉及混凝土流動特性試驗研究，缺乏與混凝土拌合過程的基本物理參數(shù)本質(zhì)分析探討，同時混凝土拌合過程試驗難度大，基本物理參數(shù)的試驗測試方法較難以實施，試驗測試基本參數(shù)均為驅(qū)動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩.

本文以攪拌器中混凝土多相流動脈動現(xiàn)象的試驗觀測，將混凝土在攪拌過程中的多相流動脈動現(xiàn)象分為密度波型脈動和壓降型脈動，嘗試從基本相變過程入手，討論攪拌器中混凝土多相流脈動現(xiàn)象與基本相變現(xiàn)象間的關(guān)系.

1 攪拌器工作過程分析

雙臥軸攪拌器物料流在攪拌過程中的整體流動趨勢，如圖1所示.當(dāng)攪拌器螺旋葉片繞水平軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生對物料的向上翻動，軸向力的作用將物料沿水平軸推向中間和另一端.這樣攪拌筒內(nèi)物料的運動形成復(fù)雜的運動軌跡，加上端面葉片的作用，使物料的運動軌跡更為復(fù)雜，攪拌作用更加激烈，即出現(xiàn)混凝土的沸騰現(xiàn)象，達(dá)到拌合均勻的高質(zhì)量的混凝土.

圖1 雙臥軸攪拌器攪拌料流特點Fig.1 Characteristic of flowing material in doublehorizontal shafts stirrer

2 數(shù)值模擬

2.1 建模

建?；緟?shù)［1，2］：軸材料密度ρ1＝7.8t·m-3，物料密度ρ2＝2.0t·m-3，軸材料彈性模量E＝210 GPa，阻尼Ce＝3500N·s·m-1，軸直徑d＝120mm，軸長度L＝1600mm，攪拌刮板長、高、寬分別為l＝470mm，h＝90mm，b＝15mm，攪拌臂單軸相位為60°，葉片和攪拌臂的安裝角為45°（即葉片的軸向角），每根軸上各有6組攪拌臂和葉片.物料與攪拌臂和刮板之間的間隙δ＝0.001mm，軸轉(zhuǎn)動速度n＝30 r·min-1.

軸質(zhì)量mz＝πd2Lρ／4，軸段長度lj＝L／5（j＝1，2，3，4，5），軸截面慣性矩I＝πd4／64，攪拌臂和刮板等效偏心質(zhì)量m0j＝lhbρ1（j＝1，2，3，4，5，6），攪拌臂和刮板等效偏心距ej＝2l／3（j＝1，2，3，4，5，6），攪拌臂等效振動質(zhì)量mj＝lhbρ1＋mz／5（j＝1，2，3，4），刮板等效振動質(zhì)量m2j＝lhbρ1＋mz／10（j＝5，6）.

2.2 數(shù)值計算模型

對攪拌器進(jìn)行三維建模，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對流域進(jìn)行離散化處理，為了提高計算精度，對葉片、交界面以及近壁區(qū)域采用網(wǎng)格加密處理，同時對攪拌器模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，采用不同網(wǎng)格數(shù)分別對攪拌器內(nèi)流場進(jìn)行模擬，仍以攪拌軸扭矩找出檢驗指標(biāo).

通過驗證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于90萬時，攪拌葉片扭矩變化小于5%，為提高計算效率，選擇計算網(wǎng)格量為1019030，整體流域的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示.

圖2 整體流域的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh model of whole fluid zone

2.3 計算方法和邊界條件

本文采用計算流體力學(xué)的Euler法.Euler法是把多相體中的顆粒作為擬流體，認(rèn)為顆粒與流體是共同存在相互滲透的連續(xù)介質(zhì)，顆粒與流體之間的耦合是通過2個守恒方程的時間轉(zhuǎn)移相得到的.用有限體積法來離散方程，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法.

3 脈動特性

3.1 周期性脈動

對攪拌器中混凝土多相流動脈動系統(tǒng)［3］，定義質(zhì)量流速G＝∫ρ2vndS（dS為微元面積，vn為dS外法線方向的流速），得到攪拌器中質(zhì)量流速G的時頻域波形變化的曲線，如圖3.質(zhì)量流速出現(xiàn)周期性的脈動現(xiàn)象，這是高頻脈動和低頻脈動的復(fù)合.

雙臥軸攪拌器中部質(zhì)量流速的高頻脈動周期約為0.018s，低頻脈動周期約為0.47s.

低頻脈動是雙軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高頻脈動疊加的結(jié)果.高頻脈動周期分別為0.0170s和0.0166s.產(chǎn)生周期0.0170s和0.0166s2個振蕩信號，振幅A隨時間遞增，合成后如圖4所示.低頻周期為0.7100s，與計算得到的低頻周期0.4700s相比，相差不大，形態(tài)也相似，基本可以確定低頻成分是頻率相近的高頻成分疊加的結(jié)果.

圖3 攪拌器中質(zhì)量流速的時頻域波形Fig.3 Time-frequency waveform curve of mass flow rate

3.2 系統(tǒng)參數(shù)對脈動特征的影響

（1）雙臥軸攪拌器中部質(zhì)量流速的影響.分別取雙臥軸攪拌器中部質(zhì)量流速為300，600，900kg·s-1，得到的脈動特征見表1.隨著雙臥軸攪拌器中部質(zhì)量流速增大，脈動中高頻成分周期變小，應(yīng)是流速增大對攪拌混凝土的碰撞和揉搓作用增加，提高了攪拌混凝土生產(chǎn)率.高頻成分直接與沸騰的生長相關(guān)，周期也隨之變小.

隨著雙臥軸攪拌器中部質(zhì)量流速的增大，振幅變小.這主要是因為沸騰產(chǎn)生頻率變大.

圖4 高頻信號的合成Fig.4 Synthesis of high-frequency signal

表1 進(jìn)出口壓力影響的脈動特征Tab.1 Pressure influence of import and export on pulse characteristics

表2 混凝土級配影響的脈動特征Tab.2 Concrete gradation influence on pulse characteristics

（2）混凝土級配的影響.其他條件不變，取混凝土1級配、2級配、3級配時的脈動特征見表2.結(jié)果表明，高頻周期和脈動振幅均不受混凝土級配影響，高頻脈動特征均沒有明顯變化，高頻成分與沸騰產(chǎn)生有直接關(guān)系.雙軸攪拌臂相位及其排列是影響攪拌質(zhì)量的重要參數(shù).雙臥軸攪拌器，多采用圍流排列，當(dāng)右手4指順著攪拌軸旋轉(zhuǎn)方向時，拇指的指向就是拌合料的流動方向；并且兩軸上葉片推動拌合料軸向流動分量和徑向流動分量的方向相反.此時，拌合料不但在拌筒內(nèi)有沿軸向閉合的大循環(huán)運動，又有軸間的小循環(huán)運動.軸向大循環(huán)是主要運動，能夠?qū)崿F(xiàn)拌合料在拌筒內(nèi)的均布；軸間小循環(huán)是輔助運動，能夠使兩軸的物料產(chǎn)生強烈逆流，增大物料顆粒間的碰撞和揉搓，強化攪拌效果［4］，如圖5所示.

（3）返回葉片.在保證拌合料大循環(huán)的前提下，適當(dāng)增加返回葉片的數(shù)量，有利于提高混凝土的攪拌質(zhì)量.攪拌裝置采用多返回葉片，拌合物料是從拌筒兩端沿攪拌軸向拌筒中心相向逆流運動［5］，并在中心處成錐體堆積，按扇形從錐頂流散.如圖6所示.

圖5 攪拌器混凝土沸騰湍流動能Fig.5 Turbulent kinetic energy of boiling concrete in mixer

（4）攪拌線速度 .攪拌線速度即葉片的切向線速度，其主要受攪拌過程中物料不發(fā)生離析現(xiàn)象所限制，一般在1.2～1.8m·s-1之間取值.攪拌過程速度矢量圖如圖7所示.

圖6 返回葉片攪拌產(chǎn)生的混凝土循環(huán)速度Fig.6 Circulation of concrete in mixing of returns blade

圖7 攪拌過程攪拌葉片速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of mixing blades

4 結(jié)論

（1）混凝土攪拌器中多相流系統(tǒng)的宏觀參數(shù)會發(fā)生周期性脈動現(xiàn)象.脈動中同時存在高頻成分和低頻成分.

（2）高頻成分的頻率與產(chǎn)生沸騰的頻率一致.可認(rèn)為是由沸騰產(chǎn)生時的流量擾動直接引起.攪拌器的參數(shù)及混凝土特性對脈動特征的影響與其發(fā)生混凝土沸騰的影響是一致的.

（3）低頻成分是頻率相近的高頻成分疊加的結(jié)果，發(fā)生混凝土“沸騰”現(xiàn)象過多，低頻成分越復(fù)雜.

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