螺旋升角对混凝土搅拌运输车搅拌筒内部流动影响的数值模拟.pdf

第 4期 2 0 1 1 年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g n&Ma nu f a c t u r e 1 9 7 文章编号 ： 1 0 0 I 一 3 9 9 7 ( 2 0 1 1 ) 0 4 一 O 1 9 7 0 2 螺旋升 角对混凝土搅拌运输车搅拌筒 内部流动 影响的数值模 拟 半 李卫 国 陈 炜 。 ( 南京铁道职业技术学院 苏州校区， 苏州 2 1 5 1 3 7 )( 江苏大学， 镇江 2 1 2 0 1 3 ) Numer i c al si m ul at i on o f t he e f f ec t o f hel i x angl e on t h e i n ner f l owi n g o f t h e mi xi n g dr um o f c on c r e t e mi x e r t r u c k L I W e i - g u o ， CHEN W e i ( N a n j i n g I n s t i t u t e s o f R a i l w a y T e c h n o l o g y ， S u z h o u 2 1 5 1 3 7 ， C h i n a ) ( 2 j i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ) ， 。 。 。 ， ； 【 摘 要】 通过对三种不同螺旋升角的搅拌筒内部流场的数值模拟， 分析了搅拌筒的内部流动情 ； ?况， 讨论 了螺旋升角对搅拌筒性能的具体影响 ， 为螺旋升角的合理选取 、 搅拌叶片设计理论的完善和后 ：续研究工作提供了重要的理论依据。 ： 关键词： 搅拌简； 螺旋升角； 数值模拟 ； ； 【 A b s t r a c t 】 H e l ix a n g le is 0 i m p o r t a n t d e s ig n p a r a m e t e r , t h e v a l u e o f w h i c h h a s d ir e c t eff e c ts o n th e p e r 一： ；f o r m a n c e o fmi x i n g d r u r r a T h e i n n e r flo w i n g s t a t u s ofmi x i n g d r u m W as a n a l y z e d t h r o u g h n u m e r i c al s i m u l a t i o n： 0 厂 i n n e r flo w i n g fie l d o f mi x i n g d r u m w i t h t h r e e d iffe r e n t h e l i x a n g l e s e s p e c ific e ffe c t s ofh e l i x a n g l e o n ： th e p e rf o r m a n c e of m i x i n g d r u m w e r e d is c u s s e d S 。 i t p r o i d e s i m p o r ta n t t h e o r e t ic a l b a s i s y o r t h e r e as o n a b l e ： ；s e l e c t i o n ofh e l i x a n g l e ， t h e p e rf e c t oft h e d e s i g n m e t h o d ofmi x i n g d r u m a n d t h e f u r t h e r r e s e a r c h w o r k ； ? Ke y wo r d s ： M i x i n g d r u m ； He l i x a n g l e ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 中图分类号 ： T H1 6 文献标识码 ： A 1 弓I 言 相 流 系 统 无 需 占 混凝土搅拌运输车( 以下简称搅拌运输车) 是混凝土机械产品 中的主要机械， 多作为混凝土工厂或搅拌站的配套运输机械， 实现 混凝土由厂站向各需求上地的输送 ， 同时防止混凝土在运输途 中分 层离析甚至初凝 。 评价搅拌运输车好坏的主要指标是混凝土的离析 度 、 出料速度和整个搅拌装置的动力消耗。影响这些方面的因素很 多， 其中搅拌叶片对数螺旋曲线的螺旋升角( 以下简称螺旋升角) 是 主要影响因素之一” 。螺旋升角的大小直接影响混凝土拌合物 的流 动状况， 进而影响其搅动质量 、 送料质量和搅拌装置功率消耗。 通常研究流体流动的方法有理论分析 、实验研究和数值模 拟三种 。 其 中， 数值模拟替代了大量的实验 ， 节省 了大量 的人力物 力 ， 带来 r可观的社会效 益和经济效益 ， 已经成为研究 流体 流动 的罩要手段 。凶此 ， 采用数值模拟进行研究。 2 数值模拟 2 1基于双流体模型的简易化混凝土搅拌多相模型 混凝土搅拌介质由石块和泥浆组成， 石块可看作颗粒相， 而泥 浆可看作为一种非牛顿流体 ， 具有触变 胜， 即泥浆静止不动时， 似凝 胶体， 一经扰动或摇动， 凝固的泥浆就变成流体， 如再静止又重新凝 固。在搅拌筒搅拌过程中， 整个介质可以视作是一个由流体相和颗 粒相组成的稠相二相流系统。数值模拟中， 若采用拉格朗 日追踪颗 粒相轨迹 ， 其计算量将变得十分庞大 ， 而其计算结果中颗粒相的力 学数据又不是主要目标数据， 所以采用双流体模型睐 处理此稠相二 间就能获得颗粒相 比铰详细的伉包， 而且可以充分考虑颗粒相的不同湍流输运过程及颗 粒与流体之间的舣向耦合作用a 。将 昆 凝土搅拌介质中的石块作为拟 流体， 泥浆作为流体。 拟流体的运动与连续相流体一样采用宏观连续 介质原理中的质量 、 动量和能量守恒方程进行描述。在多相流系统 运动 中， 对于任一相 k ， 质量和动量守 匣方程 分别是 ： + V( O lk p k U k ) ： 0 ( 1 ) + ( p ) = v： q - p J ( 2 ) 式中： P ， ， 一密度、 速度和应力张量， 各相的体积份数 ； 卜 体积力。 2 2三维建模及网格划分 在进行数值模拟之前 ，首先要对搅拌简 内部流动 区域进行 三维建模。 由于实际尺寸过大， 影响F l u e n t 软件计算速度， 所以将 流动区域模型作适当缩小。然后对其进行网格划分， 考虑到三维 模型 比较复杂 ， 采用 四面体非结构网格进行划分 。仅给出螺旋升 角为 1 7 。 的搅拌简内部流动区域的网格图 ， 如图 1 所示。 3 模 拟结果分析 3 1螺旋升 角对 离析 的影 响 螺旋升角是影响搅拌性能的主要因素，为了分析不同叶片 的搅拌性能 ， 有必要对螺旋角对流场的影响进行分析 和讨论。镇 江华晨华通路面机械有限公司搅拌运输车产品中的双螺旋搅拌 女来稿 日期： 2 0 1 0 0 6 2 5女基金项 目： 2 0 0 7年度镇江市产学研项 目( 镇财企 2 0 0 7 9号 ) 1 9 8 李卫 国等： 螺旋升角对混凝土搅拌运输车搅拌筒内部流动影响的数值模拟 第 4期 叶片采用螺旋升角为 1 7 。 的对数螺旋曲线。采用 U G对其进行参 数化建模后， 将螺旋升角改为 1 0 o 和2 4 。 。然后采用 F l u e n t 软件， 一 在搅动工况( 搅拌筒转速为 3 r rai n ) 下， 对这三种搅拌筒的内部流 动情况进行 C F D分析 ， 研究螺旋升角对混凝土离析的具体影响。 晕 2 三种搅拌筒内部流场流线图， 如图3 所示。 螺旋升角为1 0 。 、 1 7 。 和 吾 2 4 。 的搅拌筒模型分别命名为搅拌筒 a 、 搅拌筒 b和搅拌筒 c 。 图 1流动区域 网格 如图2所示， 搅拌筒 c 内部混凝土流场的搅动较弱； 搅拌筒 a 内部? 昆 凝土流场的搅动较为强烈； 而搅拌简 b的搅动较之弱， 但两 者相差不大。通过比较流场流线图可以看出， 螺旋升角小的搅拌筒 模型， 其内部流场的搅动状况要优于螺旋升角大的搅拌筒模型。而 正是因为混凝土在搅拌筒内这种强烈翻滚和对流才致使混凝土不 发生离析或延长离析时间。因此， 螺旋升角的大小影响着搅拌筒的 搅拌性能， 适当减少螺旋升角有利于提高搅拌筒的搅拌质量。 ( a ) 螺旋升角为 l 0 。 ( b ) 螺旋升角为 l 7 。 ( c ) 螺旋升角为 2 4 。 图 2三种搅拌筒内部流场流线 图对比 3 2螺旋升角对出料速度的影响 在搅拌叶片的设计 中，螺旋升角的选取不仅要满足对搅拌 性能的要求， 而且还须满足对出料速度的要求。 因此， 将三种搅拌 筒在反转卸料工况下进行数值模拟 。 为了分析不 同的螺旋升角对 出料速度的影响，每隔 4 0 m m取一个垂直于搅拌筒轴线的截面， 并计算 出流场在各截面上 的平均速度， 结果如图 3所示。 0 0 4 0 8 0】 2 O l 6 0 2 0 0 2 加 2 8 0 3 2 0 3 图 3三种搅拌筒 出料速度比较 如图3 所示可以看出， 在卸料工况下， 搅拌筒 b 的出料速度要 高于搅拌筒 a 和 e 。这反应出了如下影响规律： 螺旋升角小， 沿Z轴 的出料速度亦小； 随着螺旋升角的增大， 沿 z轴的出料速度有增大 的趋势； 螺旋升角继续增加， 沿z轴的出料速度反而开始下降。 3 3螺旋升角对功率消耗的影响 螺旋升角的选取还应满足对搅拌装置动力消耗的要求。 因此， 通过数值模拟， 亦分别计算出了三种搅拌筒在搅动工况下的驱动功 率， 如表 1 所示。 从表中可知， 搅拌筒驱动功率在螺旋升角的影响下 发了变化， 且搅拌装置的功率消耗随螺旋升角的增加而减小。 表 1功率消耗 3 4搅拌叶片设计时螺旋升角的选取分析 从上面的分析结果可知，搅拌和送料性能以及动力消耗对 螺旋升角的要求是一个矛盾。 螺旋升角越小， 其搅拌J 【生 能越好， 但功 率消耗越大； 并且随着螺旋升角的增大， 出料速度先增大后减小。 对 设计方案 b 来说， 虽然其搅拌性能较设计方案 a 降低了， 但两者 相差并不大，并未对混凝土的搅拌质量产生太大的不良影响； 并 且设计方案b具有较决的出料速度。 数值模拟结果表听设计方案 a的驱动功率要较设计方案 b的高。 如果为了降低驱动功率而选 择设计方案 C ， 则大大降低了搅拌和出料性能， 所以不可取。因 此， 在搅拌叶片的设计中， 选用 l 7 。 的螺旋升角比较合适。 4结语 搅拌运输车的搅拌筒须满足对拌料匀质、 送料连续和低动力消 耗的要求。 数值漠拟结果表明， 搅拌和送料性能以及动力消耗对螺旋 升角的要求是一个矛盾。 但在搅拌叶片的计中， 螺旋升角的确定首先 还是要保汪搅拌和送料眭能。通过比数值模拟比对分析，得知选用 1 7 。 的螺旋升角较好， 能获得良 好的搅拌作用和出料能力。镇江华晨 匝 路面有限公司的实践生产也证明了这一结论的正确性。这就为 搅拌叶片没汁理论的完善和后续研究工作提供了重要的理论f 聋 暑 。 参 考文献 1 陈宜通 混凝土机械 M 北京 ： 中国建材工业 出版社 ， 2 0 0 2 ： 9 8 1 0 0 2 Z h o u L XT wo - flu i d mo d e l s f o r s i mu l a t i n g t u r b u l e n t g a s - p a r t i c l e flo ws a n d c o mb u s t i o n J Mu l t i p h a s e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 1 1 ( 1 ) ： 3 7 - 5 7 3 Bu waVi v e kVEu l e r i a n - L a g r a n g i a n s i mu l a t i o n so f u n s t e a d y g a s - l i q ui dflo ws i n b u b b l e c 0 1 u m n s J I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f Mu h i p h a s e F l o w ， 2 0 0 6 ， 3 2( 7 ) ： 8 6 4 - 8 8 5 4王安麟 ， 邵萌 ， 梁波 ， 马立新三维流固两相流的颗粒群轨道柔性模型 J _ 上海交通 大学学报 ， 2 0 o 5 ( 5 ) ：7 9 0 - 7 9 4 5 王福军计算流体动力学分析 M j C 京： 清华大学出版社， 2 0 0 4 ： 1 2 0 - 1 2 3 6 P e t i l j e a n 0 B S i m u | a t i o n o f p a r t i c l e t o p a r t i c l e i n t e r a c t i o n s i n g a s - s o l i d f l o w s J ll_I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mu l t i p h a s e F l o w， 1 9 9 3 ， 1 9 ( 1 ) ： 1 9 9 2 1 1