搅拌器混凝土沸腾特征模拟分析.pdf

第 9卷第 2期 2 0 1 1年 6月 中国工程机械学报 C HI NE S E J O U R N A L O F C O N S TR UC T I O N MA C H I N E R Y Vo 1 9 NO 2 J u n 2 0 1 1 搅 拌器 混凝 土沸腾特征模拟分析 田晋跃 ， 王先锋 ， 杨宝林 ( 1 江苏大学 工程机械研究所 ， 江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 ； 2 江苏华通动力重工机械有限公 司， 江苏 镇江 2 1 2 0 0 2 ) 摘要 ： 影响混凝土拌合料质量参数较多， 昆 凝土流动特性对生产工艺流程和产品质量等有着重要影响 为提高 混凝土的拌合质量 ， 基于流体动力学原理， 通过搅拌器试验观察构建数值模型， 提出混凝土搅拌过程的流体特 性， 引入混凝土拌合中的沸腾概念， 对混凝土多相流脉动现象和基本特征进行数值模拟分析 在一定条件下沸腾 多相流体系统参数将在时域上出现脉动， 包含高频和低频成分 脉动高频成分由搅拌运动动力学参数产生， 而低 频成分则是由混凝土的级配参数产生 搅拌器的工作速度、 拌合料密度等对脉动特征有实质性影响 关键词：混凝土； 多相流体；搅拌； 脉动特征； 中图分类 号：T U 5 2 8 0 6 文献标识码 ： 数值模拟 A 文章编 号 ： 1 6 7 25 5 8 1 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 1 6 20 4 l - l 1 I t S O1 1 i ng pr ope r t y S l m U1 at l on and anal ys l S 0n Concr e t e m 1 Xer s T I AN J i n y u e 。W AN G Xi a n f e n g 。Y AN G B a o t i n 。 ( 1 I n s t i t u t e o f C o n s t r u c t io n E q u i p me n t R e s e a r c h ， 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 2 H u a t o n g K i n e t i c e s C o L t d ， Z h e n j ia n g 2 1 2 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t As a n u mb e r o f p a r a me t e r s s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e t h e q u a l i t y o f c o n c r e t e mi x t u r e s ， t h e c o n c r e t e f l u i d i t y i mp a c t s mu c h o n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s a n d p r o d u c t q u a l i t y To i mp r o v e t h e c o n c r e t e mi x t u r e q u a l i t y ， a n u me r i c a l mo d e l i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e o b s e r v a t i o n a n d f l u i d d y n a mi c s B y s p e c u l a t i n g t h e f l u i d p r o p e r t i e s i n c o n c r e t e mi x i n g p r o c e s s ， a b o i l i n g c o n c e p t i o n o f c o n c r e t e mi x t u r e s i s i n t r o d u c e d I n t h i s wa y， t h e mu l t i p h a s e p u l s a t i o n a n d b a s i c p r o p e r t i e s a r e n u me r i c a l l y s i mu l a t e d Un d e r s p e c i f i c c o n d i t i o n s ， t h e s y s t e m p a r a me t e r s o f mu l t i p h a s e b o i l i n g f l u i d， i n c l u d i n g h i g h a n d l o w f r e q u e n c y c o mp o n e n t s ， a r e p u l s a t e d a l o n g t i me d o ma i n I n p a r t i c u l a r ， t h e h i g h - f r e q u e n c y p u l s a t i o n i s d e r i v e d f r o m t h e mi x i n g d y n a mi c a l p a r a me t e r s ， wh e r e a s t h e l o w f r e q u e n c y p u l s a t i o n i s r e s u l t e d f r o m t h e c o n c r e t e g r a d a t i o n p a r a me t e r s Th e r e i n， t h e mi x e r wo r k i n g s p e e d a n d mi x i n g d e n s i t y d e l i v e r s u b s t a n t i a l i mp a c t s u p o n p u l s a t i o n p r o p e r t i e s Ke y wo r d s ：c o n c r e t e；mu l t i p h a s e f l u i d；mi x i n g；p u l s a t i o n p r o p e r t y ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 混凝土流动特性是混凝土搅拌设备设计和运行中的 1 个经典问题 国内许多学者对混凝土搅拌特性 的研究大多集 中在设备结构的特性和优化上 ， 基本没有涉及混凝土流动特性试验研究 ， 缺乏与混凝土拌合 过程的基本物理参数本质分析探讨， 同时混凝土拌合过程试验难度大， 基本物理参数的试验测试方法较难 以实施 ， 试验测试基本参数均为驱动转轴转矩 本文以搅拌器中混凝土多相流动脉动现象的试验观测， 将混凝土在搅拌过程中的多相流动脉动现象 分为密度波型脉动和压降型脉动， 尝试从基本相变过程入手， 讨论搅拌器中混凝土多相流脉动现象与基本 相变现象间的关系 基金项 目： 镇 江市工业科技攻关资助项 目( G Y 2 0 0 8 0 0 6 ) 作者简介 ：田晋跃 ( 1 9 5 8一) ， 男 ， 教授 E - ma i l ： t i a n j i n y u e u j s e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 田晋跃， 等： 搅拌器混凝土沸腾特征模拟分析 搅拌器工作过程分析 双卧轴搅拌器物料 流在搅拌过程 中的整体 流动趋 势 ， 如图 1 所示 当搅拌器螺旋叶片绕水平轴旋转 时产 生对物料的向上翻动 ， 轴 向力 的作用将物 料沿水平轴 推向中间和另 一端 这样搅拌筒 内物料 的运 动形成复 杂的运动轨迹 ， 加上端面叶片的作用 ， 使物料的运动轨 迹更为复杂， 搅拌作用更加激烈， 即出现混凝土的沸腾 现象， 达到拌合均匀的高质量的混凝土 2 数值模 拟 图1双卧 轴 搅 拌 器 搅拌 料流 特点 Fi g 1 Ch a r a c t e r i s t i c o f flo wi n g ma t e r i a l i n d o u b l e - h o r i z o n t a l s h a f t s s t i r r e r 2 1 建模 建模基本参数l_ 1 ： 轴材料密度 lD =7 8 t m一， 物料密度 l0 2 =2 0 t m， 轴材料弹性模量 E=2 1 0 G P a ， 阻尼 C 。 ： 3 5 0 0 N s m， 轴直径 d= 1 2 0 m m， 轴长度 L=1 6 0 0 m m， 搅拌刮板长、 高、 宽分别为 c =4 7 0 mm， h=9 0 mm， b=1 5 mm， 搅拌臂单轴相位为 6 0 。 ， 叶片和搅拌臂 的安装角为 4 5 。 ( 即叶片的轴 向 角) ， 每根轴上各有 6组搅拌臂和叶片 物料与搅拌臂和刮板之间的间隙 =0 0 0 1 mm， 轴转动速度 = 3 0 rrai n 轴质量 =7 c d 。 L p 4 ， 轴段长度 f =L 5 ( j=1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ) ， 轴截面惯性矩 工 =兀 d 6 4 ， 搅拌臂和刮板 等效偏心质量 mo =l h b p 1 ( =1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ) ， 搅拌臂和刮板等效偏心距 e 7 =2 I 3( =1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ) ， 搅 拌臂等效振动质量 mj =l h b p 1 +m。 5 ( j =1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ， 刮板等效振动质量 m2j =t h b p 1 +m l O ( j = 5 ， 6 ) 2 2 数值计算模型 对搅拌器进行三维建模 ， 采用非结构化 网格对流域进行离散化处理 ， 为了提高计算精度 ， 对叶片、 交界 面以及近壁区域采用网格加密处理， 同时对搅拌器模型进行网格无关性检验， 采用不同网格数分别对搅拌 器内流场进行模拟， 仍以搅拌轴扭矩找出检验指标 通过验证发现， 当网格数大于 9 0万时， 搅拌叶片 扭矩变化小于 5 ， 为提高计算效率， 选择计算网格量 为 1 0 1 9 0 3 0 ， 整体流域的网格划分情况如图2 所示 2 3 计算方法和边界条件 本文采用计算流体力学的 E u le r 法 E u l e r 法是把 多相体中的颗粒作为拟流体， 认为颗粒与流体是共同 存在相互渗透的连续介质， 颗粒与流体之间的耦合是 通过 2个守恒方程 的时间转移 相得 到的 用有 限体积 法来离散方程， 压力一 速度耦合采用 S I MP L E算法 3 脉 动特性 占 图 2 整体流域的网格划分 Fi g 2 Me s h mo d e l o f wh o l e flui d z o n e 3 1 周期性脉动 对搅拌器中混凝土多相流动脉动系统_ 3 ， 定义质量流速 G=j P z d S( d S为微元面积， V 为 d S外 法线方向的流速) ， 得到搅拌器中质量流速 G的时频域波形变化的曲线， 如图 3 质量流速出现周期性的 脉动现象 ， 这是高频脉动和低频脉动的复合 双卧轴搅拌器中部质量流速的高频脉动周期约为 O 0 1 8 S ， 低频脉动周期约为 O 4 7 S 低频脉动是双轴转动产生的高频脉动叠加的结果。 高频脉动周期分别为 0 0 1 7 0 s 和 0 。 0 1 6 6 s 产生 周期0 0 1 7 O S 和 0 0 1 6 6 S 2 个振荡信号， 振幅A随时间递增， 合成后如图4 所示 低频周期为0 7 1 0 0 S ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 t| S 图 3 搅拌器中质量流速的时频域波形 Fi g 3 Ti mf r e q u e n c y wa v e f o r m c u r v e o f ma s s flo w r a t e 与计算得 到的低频周期 0 4 7 0 0 s 相 比， 相差 不大 ， 形 态也相似 ， 基本可以确定低频成分 是频率相近 的高频 成分叠加的结果 3 2 系统参数对脉动特征的影响 ( 1 )双卧轴搅拌器 中部质量流速的影响 分别取双 卧轴搅拌器中部质量流速为 3 0 0 ， 6 0 0 ， 9 0 0 k g s ， 得 到的脉动特征见表 1 随着双卧轴搅拌器中部质量流速 增大， 脉动中高频成分周期变小 ， 应是流速增大对搅拌 混凝土的碰撞 和揉搓作用增加 ， 提高 了搅拌混凝土生 写 o ： 一 3 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 t 1 0 s 图 4 高频信 号的合成 Fi g 4 S y nt h e s i s o f h i g h - f r e q u e n c y s i g n a l 产率 高频成分直接与沸腾的生长相关 ， 周期也随之变小 随着双卧轴搅拌器中部质量流速的增大， 振幅变小 这主要是因为沸腾产生频率变大 ( 2 )混凝土级配的影响 其他条件不变 ， 取混凝土 1级配 、 2级配 、 3级配时的脉动特征见表 2 结果表 明 ， 高频周期和脉动振幅均不受混凝土级配影响 ， 高频脉动特征均没有明显变化 ， 高频成分与沸腾产生有 表 1 进出口压力影响的脉动特征 Ta b 1 Pr e s s u r e i nflu e n c e o f i mp o r t a n d e x po r t o n p u l s e c h a r a c t e r i s t i c s 表 2 混凝土级配影响的脉动特征 Ta b 2 Co n c r e t e g r a d a t i o n i n flu e n c e o n p u l s e c h a r a c t e r i s t i c s 直接关系 双轴搅拌臂相位及其排列是影响搅拌质量的重要参数 双卧轴搅拌器 ， 多采用围流排列 ， 当右手 4 指顺着搅拌轴旋转方向时， 拇指的指向就是拌合料的流动方向； 并且两轴上叶片推动拌合料轴向流动分 量和径 向流动分量的方向相反 此时， 拌合料不但在拌筒内有沿轴 向闭合 的大循环运动， 又有轴间的小循 环运动 轴 向大循环 是主要运动 ， 能够实现拌合 料在拌筒内的均布 ； 轴 问小循环是辅助运动 ， 能 够使两轴的物料产生强烈逆流， 增大物料颗粒间 的碰撞和揉搓 ， 强化搅拌效果l 4 ， 如图 5所示 ( 3 )返回叶片 在保证拌合料大循环 的前提 下， 适当增加返回叶片的数量， 有利于提高混凝 土的搅拌质量 搅拌装 置采用多返 回叶片， 拌合 物料是从拌筒两端沿搅拌轴 向拌筒 中心相 向逆 流运动I 5 ， 并在中心处成锥体堆积， 按扇形从锥 顶流散 如图 6 所示 ( 4 )搅拌线速度 搅拌线速度即叶片的切向 纛 la5 4 图 5 搅拌器混凝土沸腾湍流动能 Fi g 5 T ur b ul e nt ki n e t i c e n e r g y o f b o i l i n g c o n c r e t e i n mi x e r ” ” ” 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 田晋跃 ， 等 ： 搅拌器混凝 土沸腾 特征模拟分析 1 6 5 线速度 ， 其主要受搅拌过程中物料不发生离析现象所限制 ， 一般在 1 2 1 8 m s - 1 之间取值 搅拌过程 速度矢量图如图 7所示 图 6 返回叶片搅拌产生的混凝土循环速度 Fi g 6 Ci r c u l a t i o n o fc o n c r e t e i n mi x ing of r e t u r n s b l a d e 4 结论 量 、 餐 图 7 搅拌过程搅拌叶片速度矢量图 Fi g 7 Ve l o c i t y v e c t o r d i a g r a m o f mi x i n g b l a d e s ( 1 )混凝土搅拌器 中多相流系统的宏观参数会发生周期性脉动现象 脉动 中同时存在高频成分和低 频成分 ( 2 ) 高频成分的频率与产生沸腾的频率一致 可认为是由沸腾产生时的流量扰动直接引起 搅拌器的 参数及混凝土特性对脉动特征的影响与其发生混凝土沸腾的影响是一致的 ( 3 ) 低频成分是频率相近的高频成分叠加的结果， 发生混凝土“ 沸腾” 现象过多， 低频成分越复杂 参考文献 ： 1 冯忠绪 混凝土搅拌理论与设备 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 1 F E N G Z h o n g x u C o n c r e t e m i x i n g t h e o r y a n d e q u i p m e n t M,1 B e ij i n g ： C h i n a Com mu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 1 2 罗敬安， 童群伦， 王毓麟， 等 G B T 9 1 4 2 -2 0 0 0混凝土搅拌机I s 北京： 中国标准出版社， 2 0 0 0 L U 0 J i n g a n ， T O N G Q u n l u n ， WA N G Y u l i n ， e t a 1 G B T 9 1 4 2 -2 0 0 0 C o n c r e t e s t i r r e r S B e i j i n g ： C h i n a S t a n d a r d s P r e s s ， 2 0 0 0 3 张世英、 陈元基 筑路机械工程 M= 北京： 机械工业出版社， 1 9 9 8 Z H A N G S h l y i n g 。 C H E N Y u a n j i R o a d c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y e n g i n e e r i n g M B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 1 9 9 8 4 赵利军， 董武， 冯忠绪 双排叶片搅拌装置合理参数的确定与匹配口 长安大学学报： 自 然科学版， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 3 ) ： 9 7 9 8 Z H A 0 L u n ， D O N G wu ， F E N G Z h o n g x u D e t e r m i n i n g a n d m a t c h i n g o f r a t i o n a l p a r a m e t e r s o f d o u b l e r o w b l a d e s m ix e r J J o u r nal o f Ch a n g a n Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e E di t i o n， 2 0 0 8， 2 8( 3) ： 9 79 8 5 王卫中， 冯忠绪 逆流相位变化对混凝土搅拌质量的影n l J - 1 长安大学学报： 自 然科学版， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 2 ) ： 9 9 1 0 2 WA N G We i z h o n g ， F E N G Z h o n g x u E f f e c t 0 f v a r i o u s a d v e r s e c i r c u l a t i o n S p h fl s e a ngl e s o n c o n c r e t e m ixi n g q u a l i t y J J o u r n a l o f C h a n g a n Uni v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 7， 2 7( 2 )： 9 91 0 2 O 口 驴 0 口 口 O O O 0 0 O 0 O 0 0 0 l l 1 1 1 l l 1 l 1 l 1 1 l l l l l 1 l X X x x x x O O 3 4 8 0 J 4 m 矗 盘 商 & L L 曼 & & 4 3 3 2 2 2 l 1 8 4 2 一 一 一 一 一 一 一 一 一 爨 b 自呈 喜耋 刚 砌 聃 猫 弘 4 叭 m m 量 l m 眦 2 2 1 9 7 5 2 8 5 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m