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 212013；2.江苏华通动力重工机械有限公司，江苏 镇江 212002）

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.

1 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.

图1 双卧轴搅拌器搅拌料流特点Fig.1 Characteristic of flowing material in doublehorizontal shafts stirrer

2 数值模拟

2.1 建模

建模基本参数［1，2］：轴材料密度ρ1＝7.8t·m-3，物料密度ρ2＝2.0t·m-3，轴材料弹性模量E＝210 GPa，阻尼Ce＝3500N·s·m-1，轴直径d＝120mm，轴长度L＝1600mm，搅拌刮板长、高、宽分别为l＝470mm，h＝90mm，b＝15mm，搅拌臂单轴相位为60°，叶片和搅拌臂的安装角为45°（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δ＝0.001mm，轴转动速度n＝30 r·min-1.

轴质量mz＝πd2Lρ／4，轴段长度lj＝L／5（j＝1，2，3，4，5），轴截面惯性矩I＝πd4／64，搅拌臂和刮板等效偏心质量m0j＝lhbρ1（j＝1，2，3，4，5，6），搅拌臂和刮板等效偏心距ej＝2l／3（j＝1，2，3，4，5，6），搅拌臂等效振动质量mj＝lhbρ1＋mz／5（j＝1，2，3，4），刮板等效振动质量m2j＝lhbρ1＋mz／10（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90万时，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1019030，整体流域的网格划分情况如图2所示.

图2 整体流域的网格划分Fig.2 Mesh model of whole fluid zone

2.3 计算方法和边界条件

本文采用计算流体力学的Euler法.Euler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-速度耦合采用SIMPLE算法.

3 脉动特性

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＝∫ρ2vndS（dS为微元面积，vn为dS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0.018s，低频脉动周期约为0.47s.

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0.0170s和0.0166s.产生周期0.0170s和0.0166s2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0.7100s，与计算得到的低频周期0.4700s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.

图3 搅拌器中质量流速的时频域波形Fig.3 Time-frequency waveform curve of mass flow rate

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300，600，900kg·s-1，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.

图4 高频信号的合成Fig.4 Synthesis of high-frequency signal

表1 进出口压力影响的脉动特征Tab.1 Pressure influence of import and export on pulse characteristics

表2 混凝土级配影响的脉动特征Tab.2 Concrete gradation influence on pulse characteristics

（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；轴间小循环是辅助运动，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［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［5］，并在中心处成锥体堆积，按扇形从锥顶流散.如图6所示.

图5 搅拌器混凝土沸腾湍流动能Fig.5 Turbulent kinetic energy of boiling concrete in mixer

（4）搅拌线速度 .搅拌线速度即叶片的切向线速度，其主要受搅拌过程中物料不发生离析现象所限制，一般在1.2～1.8m·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Fig.6 Circulation of concrete in mixing of returns blade

图7 搅拌过程搅拌叶片速度矢量图Fig.7 Velocity vector diagram of mixing blades

4 结论

（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.

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