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混凝土泵车输料管中两相流数值模拟研究 口郭大猛 口刘杰口陈秀峰 东北大学 机械工程与 自动化学院沈阳1 1 0 0 0 4 摘要：混凝 土泵 车输送管 中的混凝 土流动为典型的两相流 ， 目前对其流动特性研 究只能通过半经验的实验 方法。 通过 建立基 于双流体混凝土两相流模型 ， 进行 了输料管 多相流场的数值模 拟， 为混凝土泵车输料 管数 字化设计和输送性 能研 究提供 了定量化、 可视化的设计模型。 对混凝 土泵车输料 管设计和浇筑实验提供 了理论基础。 关键词 ： 混凝土泵车输料管 两相流数值模拟 中图分类号 ： 0 2 4 2 1 ； 0 3 5 9 文献标识 码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 4 9 9 8 ( 2 0 0 9 ) 1 0 0 0 2 5 0 3 由于 在 浇 筑 过 程 中输 料 管 内 的 混 凝 土 属 于 典 型 的 两 相 流 ， 在 较 高 的工 作 压 力 下 ， 会 对 臂 架 产 生 很 大 的 冲 击 振 动 ， 所 以 研 究 混 凝 土 砂 浆 的 流 动 对 臂 架 系 统 的 影 响 是 很 有 必 要 的 。 传 统 求 解 两 相 流 的 方 法 主 要 有 两 种 ： 一 是 建 立 两 相 流 的 数 学 模 型 ， 经 过 复 杂 冗 长 的 化 简 后 求 出 其 解 析 解 ； 二 是 通 过 实 验 和 经 验 公 式 来 解 决 两 相 流 问题 。 但 是 由 于 流 体 流 动 特 性 比较 复 杂 ， 实 验 方 法 比 较 复 杂 和 昂 贵 ， 因 此 数 值 模 拟 被 广 泛 地 应 用 于 流 体 特 性 的研 究 。 计 算 流体 力学 ( CF D) 是 一 门用 数 值 计算 方 法 直 接 求 解 流 动 控 制 方 程 以 发 现 各 种 流 动 现 象 规 律 的 学 科 。 国外 飞 机 厂 商 用 计 算 流 体 力 学 取 代 大 量 实 物 试 验 ， 减 少 了 风 洞 试 验 。 因 此 ， 数 值 模 拟 研 究 能 够 揭 示 流 体 流 动 的 特 性 。 近 年 来 ， 国 内外 对 多 相 流 的研 究 大 部 分 仍 是 采 用 模 型 化 数 值 模 拟 的 方 法 。】 。 目前 ， 在 泵 车 混 凝 土 输 送 两 相 流 研 究 中 ， 为 满 足 混 凝 土 在 不 同 方 向 的 流 畅 泵 送 要 求 ， 通 常 事 先 进 行 泵 送 实 验 。 这 种 半 经 验 的 方 法 ， 可 以分 析 出 宏 观 参 数 对 泵 送 性 能 的 影 响 ， 并 能 得 出 一 些 可 以 指 导 工 程 设 计 的 重 要 结 论 。 但 是 这 种 方 法 采 用 经 验 性 的 分 析 和 反 复 的 实 验 来 确定 ， 没 有 以流 动 原 理 和 数 值 解 析 作 为 理 论 依 据 ， 因 此设计 性能 无法达 到最优 ， 并且周 期长 ， 反复试 验成 本 高 【 I 。 本 文 以混 凝 土 泵 车 输 料 管 中 的 输 送 介 质 为研 究 对 象 ， 分 析 了 模 型 的适 用 性 后 ， 采 用 流 体 有 限 体 积 法 ， 以 输 料 管 为 边 界 ， 在 湍 流 模 型 的 基 础 上 将 泥 浆 和 固体 颗 粒 分 别 处 理 为 两 种 密 度 不 同 的 流 体 ， 进 行 了基 于 双 流 体 模 型 的 输 料 管 多 相 流 场 的 数 值 模 拟 ， 为 混 凝 土 泵 车 输 料 管 数 字 化 设 计 和 输 送 性 能 研 究 提 供 了 定 量 化 、 可 视 化 的 设 计 模 型 。 1 混凝土泵车输料管系统的两相流 混 凝 土 泵 车 臂 架 上 的 输 料 管 是 从 中 心 回转 接 头 穿 -k国家 自然科学基金 资助项 目( 编号： 5 0 7 7 5 0 2 9 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 年4 月 机械制造4 7 卷 第5 4 2 期 过 转 台 后 ， 再 穿 过 转 台 立 柱 与 第 一 节 臂 铰 接 ， 输 料 管 沿 臂 架 方 向 分 别 固 定 在 各 节 臂 杆 上 ， 各 节 臂 杆 的 输 料 管 又 通 过 回 转 接 头 与 相 邻 臂 杆 的 输 料 管 相 连 ， 沿 臂 杆 两 侧 直 通 臂 架 末 端 。 混 凝 土 泵 车 的输 料 管 包 括 直 管 、 弯 管 、 锥 管 及 软 管 和 管 卡 等 ， 臂 架 上 输 料 管 的 布 置 如 图 1 所 示 。 混 凝 土 由 车 载 混 凝 土 泵 推 入 输 料 管 ， 在压力 的作用下 沿管道 输送 到指定位 置 。 混 凝 土 砂 浆 在 输 料 管 道 中 的 流 动 为 典 型 的 固 液 两 相 流 问 题 ， 可 以认 为 它 是 一 种 宾 汉 流 体 。 虽 然 混 凝 土 仅 是 固 体 和 液 体 两 相 ， 但 是 由 于 其 中 固体 颗 粒 的 尺 寸 大 小 不 一 ， 并 且 以 一 定 的 比例 混 合 而 成 ， 包 括 水 、 胶 凝 材 料 、 砂 石 等 ， 所 以 属 于 密 相 多 相 流 的 范 畴 。 混 凝 土 在 输 料 管 入 口处 的 速 度 为 ： 。= 4 Q ( 1 ) 式 中 ： p为 混 凝 土 泵 车 的 排 量 ； r 为 液 压 泵 的 主 容 积 效 率 ， 取 0 9 6 到 0 9 8 之 间 ； d为 输 料 管 的直 径 。 固 相 入 口 的 体 积 分 数 与 混 凝 土 类 型 有 关 ， 由 于 要 输 送 的 混 凝 土 经 过 搅 拌 ， 水 泥 浆 和 固 体 颗 粒 混 合 比较 均 匀 ， 所 以 人 口处 的 体 积 分 数 可 认 为 是 不 变 的 。 混 凝 土 在 输 料 管 中 流 动 时 雷 诺 数 较 大 ， 因 此 需 要 作 为 湍 流 处 理 ， 并 且在 管壁附 近存在边 界层 。 2 基于 E u le r E u le r 模型简化泵车输料管多相 流模 型的分析 建 立 多 相 流 模 型 通 常 使 用 Eu l e r L a g r a n g e和 E u 一 2 110 9 1 0国 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l e r - E u l e r两 种 方 法 ， E u l e r L a g r a n g e法 是 在 Eu l e r坐 标 下 考 察 流 体 相 的 运 动 ， 在 L a g r a n g e坐 标 下 研 究 颗 粒 群 的运 动 。 离 散相 和流体 相之 间存 在质量 、 动 量和 能量 的 交 换 。 在 E u l e r E u l e r法 中 ， 不 同 的 相 被 处 理 成 互 相 贯 穿 的连 续 介 质 。 该 方 法 把 颗 粒 作 为 拟 流 体 ， 认 为 颗 粒 与 流 体 是 共 同 存 在 且 相 互 渗 透 的 连 续 介 质 ， 两 相 同 在 E u l e r坐 标 系 下 处 理 ， 即所 谓 双 流 体 模 型 。 混 凝 土 泵 车 中 的 多 相 流 属 于 密 相 多 相 流 ， 具 有 较 高 的 固 体 体 积 分 数 。 由 于 颗 粒 相 在 混 凝 土 中 占有 很 大 比重 ， 所 以 不 仅 要 考 虑 流 体 与 颗 粒 的作 用 ， 而 且 必 须 同 时 考 虑 颗 粒 与 颗 粒 间 的 相 互 作 用 。 E u l e r E u l e r法 虽 然 在 处理 颗粒 大 小 变化 及 分布 问题 时 存 在劣 势 ， 但 鉴 于 泵 车输 料 管 内的 流动 更 侧重 于 考虑 固体相 的特 性 ， 所 以 采 用 E u l e r - E u l e r 法 进 行 模 拟 研 究 。 在 Eu l e r方 法 中 ， 作 为 互 相 贯 穿 连 续 的 多 相 流 动 的描述组 成 了相 位体 积分 数 的概念 ， 这 里 表示 为 O t q 。 q 相 的 连 续 方 程 为 ： 鲁( ) + V ( O l q p ) = ( 2 ) ” p 1 式 中 ： 玩 为 q相 的速 度 ； 为第 P相 到 q相 的质 量传 递 ； 为 q相 的 密 度 。 从 质 量 守 恒 方 程 可 得 ： m 。 p =一南 和， =0 ( 3) q相 的 动 量 平 衡 得 到 动 量 平 衡 方 程 为 ： 号( p 一V q ) +V ( O t p ) ：一 V P +V + 二 ( 廊 + m 。 p ) + p ( + 。 + ， ) ( 4 ) P 1 式 中 ： 为 外 部 体 积 力 ； ， 为 升 力 ； 为 虚 拟 质 量 力 ； 为 相 之 间 的 相 互 作 用 力 ； p为 所 有 相 共 享 的 压 力 ； 一Y p q 为 相 间 的 速 度 ； 子 为 第 q相 的 压 力 应 变 张 量 。 一 ： ( V玩+V ) + ( 一 ) V ， ( 5 ) 式 中 ： 、 为 q相 的剪 切 和体 积 黏 度 ； ，为 单位 应 变 张 量 。 3 混凝土泵车输料管中流动两相流的数值仿真 现利用计 算 流体力 学软 件 F l u e n t 对 混凝 土 在 泵 车 输 料 管 的 流 动 过 程 进 行 数 值 仿 真 。 采 用 Ga mb i t 建 立 几 何 模 型 ， 各 节 管 的 相 对 倾 角 分 别 为9 0 。 、 4 5 。 、 一4 5 。 、 一3 0 。 ， 进 行 前 处 理 网格 划 分 和 边 界 条 件 设 定 ， 如 图2 所 示 。 建 立 模 型 后 ， 在 管 的 边 缘 划 分 边 界 层 ， 选 择 ke湍 流 模 型 ， 采 用 E u l e r混 合 模 型 ， 采 用 默 认 求 解 器 进 行 求 解 ， 输 料 管 各 节 的 长 度 如 表 1 所 示 ， 管 道 的 半 径 为 5 0 mm， 弯 管 的 曲 率 半 径 为 1 0 0 mm。 采 用 多 相 的 E u l e r模 型 设 置 流 体 的 特 20 091 0 表1 输料 管的各节长度 I 节数 l 2 3 4 I 长度 m 8 7 5 7 6 性 ， 各 相 的 物 理 特 性 如 表 2 所 示 ； 设 置 计 算 的 初 始 条 件 如 表 3 所 示 。 表2 两相流的物理 特性 相 密度 ( k g m- 3 ) 颗粒直径 m I 流体相 2 8 0 0 l 颗粒相 2 9 6 0 O O O l 表3 输料管的初始条件 初始条件 参数的设定 入 口速度 ( m s ) 6 入 口压力 MP a 1 0 颗粒体积分数 4 4 经 过 F l u e n t 计 算 可 得 到 整 个 输 料 管 道 的 静 压 分 布 如 图 3 所 示 。 混 凝 土 在 管 道 中 流 动 ， 随 着 管 路 长 度 的 增 加 ， 压 力 逐 渐 减 小 ， 在 第 4 节 管 处 为 最 小 ， 混 凝 土 靠 惯 性 流 出 管 道 ， 进 入 末 端 软 管 。 为 了 考 察 流 动 对 臂 架 的 冲 击 ， 需 要 分 析 弯 管 处 的 速 度 分 布 。 流 体 在 第 1 节 管 道 和 第 2 节 管 道 弯 管 处 的 速 度 分 布 如 图 4 和 图 5 所 示 ， 其 它 各 节 管 道 压 力 分 布 仅 与 第 1 节 在 数 值 上 有 所 差 别 。 由 此 可 以看 出 由 于 管 道 转 角 处 流体 需 要 改变 速 度 的方 向 ， 因此 在 弯管 处 流体 对输 料 管系统 的冲击较 大 。 图 6给 出 了 固 体 颗 粒 相 体 积 分 数 ， 可 以 看 出 混 凝 土 在 管 道 内 流 动 过 程 中 ， 大 部 分 颗 粒 均 匀 分 布 ， 在 靠 近 管 的 底 部 ， 水 泥 的 成 分 比较 多 ， 而 固体 颗 粒 的 成 分 较 少 。 4结论 泵 车 混 凝 土 输 送 属 于 典 型 的 多 相 流 流 动 ， 在 通 过 分 析 流 动 微 分 方 程 的 特 点 及 考 察 水 泥 浆 和 固 体 颗 粒 的 流 动 特 性 基 础 上 ， 选 择 用 于 模 拟 多 相 流 的 E u l e r E u l e r 方 法 ， 划 定 边 界 层 后 通 过 流 体 仿 真 软 件 F l u e n t 建 立 了 混 凝 土 泵 车 输 料 管 内 混 凝 土 流 动 的 两 相 流 模 型 ， 在 给 机械制造4 7 卷 第5 4 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 关 节 殿 股 骨 系 统 的 建 立 与自 适 应 研 究 口周峰 - - 口龚宪生 口许金栋 口胡江林 1 重庆大学机械工程学 院 机械传动 国家重点实验室重庆4 0 0 0 4 4 2 重庆市计量质量检测研究院重庆4 0 0 0 2 0 摘要： 提 出了快速设计个性化 内置假体的计算机方法， 并把有限元法与骨重建理论相结合， 分析了个性化人造髋 关节假体 一股骨 系统 中假体 的物理参数对股骨细胞重建的影响。 通过 A N S Y S软件 与 V C+平 台结合 ， 分析对 比假体的 结构形态、 材料属性、 几何尺寸和接触形式等参数对假体 一 股骨系统中股骨在生理栽荷作用下的应力应变以及骨细胞重 建的影响 ， 从而为设计和选择更接近人体结构生理性 能的人造假体提供理论依据。 关键词 ： 内置假体三维重建各 向异性有 限元分析 中图分类号 ： R 6 8 1 8 ； R 6 8 7 5 文献标识码 ： A 上 世 纪 6 O 年 代 开 始 采 用 人 工 股 骨 假 体 以 来 ， 人 5 1 2 全 髋 关 节 置 换 术 的 疗 效 日益 改 善 ， 但 植 入 的 假 体 存 在 由于 应 力 遮 挡 等 引 起 假 体 远 期 松 动 问 题 仍 然 困 扰 着 人 们 1 - 。 为 了 提 高 全 髋 假 体 置 换 术 后 假 体 的 长 期 稳 定 性 ， 国 内外 很 多 学 者 就 股 骨 的 生 物 力 学 特 性 进 行 了研 究 。 由于股 骨假体插 入股 骨髓 腔后 ， 改 变 了股骨 正 常应 力 分 布 ， 诚 然 ， 根 据 wo l f 定 律 ， 异 常 应 力 会 导 致 骨 组 织 的 自我 调 节 和 骨 自适 应 的 重 建 I 。 对 股 骨 组 织 重 建 和 保 证 假 体 与 髓 腔 有 良好 匹 配 性 的 假 体 的结 构 形 态 、 几 -k国家高等院校博士学科点专项科研基金资助项 目( 编号 ： 2 0 0 6 0 6 1 1 0 1 4 ) 重庆大学研究生科技创新基金 资助项 目( 编号： 2 0 0 8 0 1 A 1 A 0 0 9 0 2 6 8 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 年4 月 文章编号 ： 1 0 0 0 4 9 9 8 ( 2 0 0 9 ) 1 0 0 0 2 70 4 何 尺 寸 和 材 料 等 物 理 参 数 就 成 了研 究 的 热 点 。 为 此 ， 本 文 就 建 立 更 接 近 生 理 特 性 的股 骨 一假 体 系 统 的 三 维 实 体 模 型 并 通 过 计 算 机 仿 真 模 拟 ， 即 就 假 体 物 理 参 数 对 骨 重 建 影 响 的术 前 评 估 进 行 研 究 ， 以解 决 假 体 松 动 ， 延 长 假 体 有 效 使 用 寿 命 和 提 高 置 换 手 术 的成 功 率 。 1 股骨 一 假体 系统三维实体模型与各异性有 限元模型的建 立 1 1 CT 图 像 处 理 为 了 达 到 假 体 与 骨 髓 腔 的最 佳 匹 配 ， 在 假 体 设 计 前 ， 首 先 必 须 获 得 患 者 个 体 髋 关 节 精 确 数 据 ， 以 重 建 符 合 生 理 特 性 的 股 骨 三 维 模 型 。 股 骨 C T图 像 数 据 用 德 定 的条 件 下 进 行 流 动 特 性 研 究 。 通 过 数 值 仿 真 得 到 水 泥 和 固 体 颗 粒 在 管 道 中 的 流 动 特 性 ， 为 混 凝 土 泵 车 输 料 管 数 字 化 设 计 和输 送 性 能 研 究 提 供 了 定 量 化 、 可 视 化 的 设 计 模 型 。 【 1 丁晓东 ， 闫胜利 改型水泥混凝土泵车振 动性能试验研究 【 J 】 山东交通学院学报 ， 2 0 0 4 ( 3 ) 2 彭-) J I 等截面管道中气固两相流的颗粒出口速度的实验 研究【 J 过程工程学报 ， 1 9 8 5 ( 4 ) 3 】 孟宪红 ， 宋守志 ， 王宏勋 石英砂物料气流冲击粉碎效果影 响因素分析【 J 】 中国粉体技术 1 9 9 6 3 ) 机械制造4 7卷 第5 4 2 期 建材工业出版社 ， 2 0 0 4 【 5 】 严旭， 孙刚 积分模型求解管道两相流压降【 J 油气储运， 2 0 0 8 ( 2 ) 【 6 】 李 明俊 ， 陈立丰 ， 万诗贵 管道流动絮凝研究进展及其分析 J 】 水处理技术 ， 1 9 9 7 ( 2 ) ( 编 辑 功 成 ) 2 0 0 9 1 0回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m