气送混凝土的流态分析与仿真.pdf

第 4期( 总第 1 7 3期) 2 0 1 2年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG & AUT0MATl 0N NO 4 Au g 文章 编号 ： 1 6 7 2 - 6 4 1 3 ( 2 0 1 2 ) O 4 0 0 2 9 0 3 气送混凝土的流态分析与仿真 贾海深 ，李文英 ，肖文远 ( 太原理3 - 大学 机械 电子工 程研 究所 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ：运用 F l u e n t 对混凝土在输料管 中的流态进 行仿 真。根据混凝 土料 群在输 料管 中的压力 、速 度分布特 点、运 动轨 迹，探 究 出混凝土料群在输送 管道 中以 “ 稀 薄流” 方式输送 的最佳输 送参数范 围，为后续混凝土 湿喷机的合 理设计、结构优化 、性能分析提供 重要的理论 依据。 关键词 ：混凝土 ；稀薄流 ；湿喷机 ；流态分析 ；仿 真 中图分 类号 ：TP 3 9 1 9： T U6 4 6 文献标识码 ：A 0 引言 气送式混凝土湿喷机的研制不仅解决了干喷中存 在的三大问题 ， 即粉尘大、 回弹多、 质量差 ， 同时也克服 了其他湿喷机在实际应用中存在的弊端 ， 如磨损严重、 出料 口脉冲现象严重、 使用中漏气和跑浆现象严重等。 然而 ， 各国对气送式混凝土湿喷机的探究还处于初级 阶段 ， 本文通过 F l u e n t 软件模拟仿真混凝土的实际输 送过程， 根据混凝土颗粒在输送过程中的流态 、 分布特 点 、 运 动 轨迹 ， 探 寻出混 凝 土颗粒 在实 际输 送过 程 中 出 现的问题及相应 的解决方案。 1 气 送式 混凝 土湿 喷机 工作 原理 简 介 气送式混凝 土湿 喷机 的结构简 图见 图 1 ， 它 主要 由加料料斗 、 送料螺旋 、 拨 料叉 、 切料刀、 料柱密封腔 、 中心喷嘴 、 旋 流加速 器、 旋 流风环 、 喷枪 、 螺旋套筒 组 成。工作 时， 料斗 1中的混凝土拌合料在送料螺旋 2 的动力作用下， 被连续地输送至料柱密封腔 3 ， 在送 料 螺旋 的推力 与 料 柱 密 封 腔 前 端 所 通 压 风 的 共 同作 用 下 ， 混凝土在料柱密封腔中被压实， 以防止反 向漏风 。 从料柱密封腔 中出来 的混凝 土在切料刀 5 、 拨料叉 6 的作用下 ， 在料气混合室 7中被打散 、 切碎并与旋流风 环 4处所通的压风进行充分 、 均匀 的混合 。悬浮状态 的混凝土料粒在中心喷嘴 8处所通压风及旋流加速器 9的作用下 ， 在输料管 1 O中以高速、 旋转、 空间螺旋线 的形式被输送至喷嘴， 完成整个喷射过程。 2 混凝土料群在输送管中的运动状态 当混凝土料团所获得的输送速度大于它的悬浮速 度时 ， 混凝土料团才能完全处于悬浮状态， 这就要求有 较高的气流速度 。当气 流速度较大， 所输送的料气混 合 比在 7 1 2范围时， 混凝 土料 团在输送管道 中才能 处于均匀的悬浮状态， 即所谓的均匀流 ， 如 图 2所示。 均匀流是实现稀薄流输送的最理想 的条件。 1 一料斗 2 一送料螺旋 ； 3 一料柱密封腔 ； 4 一旋流风环 5 一切料刀 6 一拨料叉 ； 7 一料 气混合 室； 8 一中心喷嘴 9 一旋流加速器 1 O 一输送料管 图 1 气送式混凝土湿喷机 的结构简 图 图 2均 匀流 随着气流速度的减小 ， 混凝 土料 团所获得的速度 也减小， 而不同粒径 的混凝土颗粒所获得的悬 浮能力 不同， 这样粒径较小 的混凝土颗粒在输送管道中的上 半部分处于悬浮状态， 粒径较大的混凝土颗粒因不能 完全悬浮而处在输送 管道 的下半部 ， 于是在输送管道 中就会 出现管底流， 如图 3所示 。 当气流速度再进 一步减小 ， 混凝土料团在输送管 道 中呈现疏密不均的流动状态 ， 部分混凝土料 团在输 送管道的下部出现滑 动， 但此 时输料管中的混凝土料 团并没有滞 留， 形成所谓的疏密流， 如图 4所示 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 0 2 修 回日期 ：2 0 1 2 0 3 0 9 作者简介 ：贾海深 ( 1 9 8 4 一 ) ，河南周 口人 ，在读硕士研究生 ，研究方 向：矿 山机械 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年第 4期 3 混凝 土料 团在 输料 管 中的运 动过 程 根 据上 述 的理论 分 析 可 知 ， 混凝 土颗 粒 群 在 水 平 输料管里输送 的过程 中， 重力与悬浮力在竖直方向上 相互平衡 ， 圆周方向的切向力只产生切向的旋转运动， 不会对混凝土的轴向运动过程产生影响 ， 因此在分析 混凝土的轴 向运动时可 以忽略不计 ， 这样作用在混凝 土料团上的力主要有轴向的气流推力 R与输送 管壁 的摩擦阻力 T。取 z 段混凝土料团为研究对象 ， 该段 混凝土料团在水平管中的受力情况如图 5所示 。 图 3 管底流 图 4 疏密流 n 露 簿 一 一 岛 | - i 。； 0 0 1 一 A1 图 5 混 凝 土 料 团 的 受 力 示 惫 图 气流推力 R由下式计算 ： R-g Z ( V a - -U s ) 。 ( 1 ) t， n 其 中 ： q 为混 凝 土 料 团 的质 量 流 量 ； U s 为 混凝 土 料 团 的输送速度； 。为气 流速度； 为混凝 土料 团的悬浮 速度 。 管壁摩擦阻力 T由下式计算 ： g 。 ( 2 ) 其 中： 为混凝土料团的绕流阻力系数 ； D为输送管道 的内径 。根据牛顿第二定律， 有 ： Z X 1 ：R T。 ( 3 ) U l ： 将 式 ( 1 ) 、 式 ( 2 ) 代 人 式 ( 3 ) 进 行 变换 与 简 化 ， 可 得 混 凝 土料 团 的运 动微 分方 程 为 ： 吉 警 ( 盟2 g D 。 ( 4 ) g d 、 。 从上述的气流推力 R及管壁摩擦阻力 T 的计算 公式 中可 以看 出 ： 随着 混 凝 土 料 团 实际 输 送 速 度 的增 大 ， 气流推力 R在减小， 管壁摩擦阻力 丁在增加。因 此二者的合力 ( RT) 在减小， 混凝 土料群在输送管道 中加速度在减小， 直到零为止， 此时气流推力 R 与管 壁摩擦阻力 丁相平衡 ， 加速过程结束 。混凝土料团在 输送管道 中的实际运动为加速度减小的加速运动及稳 定的等速运动。当加速度为零 时， 速度 到达稳定运动 的最大值 。只有 当混 凝 土料 团稳定运 行 的速度 大 于它 的悬浮 速 度 时 ， 混 凝 土 料 团才 有 可 能 实 现 悬 浮 输 送 。 由此可知 ， 要想使混凝土料团获得较大的稳定运行速 度 ， 就必须增大气流推力 ， 即要提高气流速度。 4 数 值模 拟 确定计算区域 ， 建立实体模 型。将 实体模型导入 F l u e n t 软件进行模拟仿 真， 为了便 于对 比分析 ， 就进 风嘴与轴线的夹角为 9 O 。 、 3 0 。 这两情况进行模拟仿真。 4 1 模拟参数 模拟参数见表 1 。 表 1 模拟参数 气流速 模拟管 进风嘴与轴 输料管直 混凝土料团的 混凝土料团的 度( m s ) 长( m) 线的夹角( 。 ) 径( r a m) 平均粒径( ram) 密度( k g m。 ) 7 0 1 0 9 0， 3 0 7 5 1 5 2 3 5 0 4 2 网格 划分及 边界条 件设 置 运 用 G AMB I T 建 立 实 体 模 型并 进 行 网 格 划 分 。 由于实体模型的形状不规则及几何尺寸较大 ， 为了在 仿真时计算方便 ， 在划分 网格时把实体模型分为两部 分 ， 第一部分为形状不规则而几何尺寸较小的组合体 ， 第二部分为形状规则而几何尺寸较大的纯圆柱体。第 一 部分采用 T Gr i d方法划为非结构性网格 ， 第二部分 采用 C o o p e r 方法划分为结构性网格 ， 两种实体模型划 分的网格如图 6所示。人 口设置为速度人 口， 出 口设 置为 自由出流口， 计算时采用 矗 一 湍流模型。 墨曩 ( a)非结构性 网格 ( b )结构性 网格 图 6网格划分 示意图 4 3 模拟 结 果分析 进风嘴与轴线的夹角为 3 0 。 时， 输料管 中静压分 布云图见图 7 ， 动压分布云图见图 8 。图 9为进风嘴与 轴线的夹角为 9 O 。 、 3 0 。 时的气流速度云图。图 1 O为进 风 嘴与轴 线 的夹 角 为 9 O 。 、 3 O 。 时 混 凝 土 料群 的实 际运 动轨迹 图 。 图 7 进风嘴与轴线夹角为 3 O 。 时输料 管中静压分布 云图 根据图 7 、 图 8和图 9 ( b ) 所示的压力 、 速度分布特 点可知 ： 进风嘴与轴线的夹角为 3 0 。 时， 静压力沿半径 方向逐渐递增 ， 速度沿半径方向逐渐递减 。因此 ， 在输 送过程中， 混凝土料群 因受到内外压力差的作用而 向 输 料管 中心靠 拢 ， 这 样 在 混凝 土料 群 与 输 料 管道 内 壁 间就形成了一层气垫 ， 减小了输送过程 中混凝土料 群 与管壁的摩擦 。同时， 由于内外压力差的作用 ， 也避免 了混凝土料群在输送过程中的离析现象。 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m