混凝土泵分配阀流场数值仿真研究.pdf

2 0 1 4年 1 月 第4 2卷 第 1期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J a n 2 0 1 4 Vo 1 4 2 No 1 D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 0 1 0 3 2 混凝土泵分配阀流场数值仿真研究 赵青 ，刘会勇 。 ( 1 贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵 阳 5 5 0 0 0 3； 2 清华大学摩擦学国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 4 ； 3 贵州大学机械工程与自 动化学院，贵州贵阳5 5 0 0 0 3 ) 摘要：为了能够了解混凝土泵在进行泵送作业时，混凝土对混凝土泵分配阀的磨损情况，对混凝土泵分配阀流场进行 数值仿真研究。在 S o l i d Wo r k s中建立了混凝土泵分配阀模型，在 G A MB I T中划分网格并指定了边界条件，并在 F l u e n t 中进 行求解计算 ，研究混凝土泵分配阀的流场。研究结果对于混凝土泵分配阀的设计和磨损检测有一定的理论和使用价值。 关键词： 混凝土泵 ； 分配阀；流场；C F D ；磨损检测 中图分类号：T H 3 2 1 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1( 2 0 1 4 )1 1 2 0 3 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n S t u d y o n t h e F l l l i d F i e l d o f t h e Co n c r e t e P u mp Di s t r i b u t i n g Va l v e Z H A O Q i n g ，L I U H u i y o n g ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f T r i b o l o g y ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 4，C h i n a ； 3 C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ，G u i z h o u U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：F o r fi n d i n g o u t t h e we a r i n g c o n d i t i o n o f t h e c o n c r e t e p u mp d i s t rib u t i n g v alv e b y c o n c r e t e w h e n t h e c o n c r e t e p u mp w a s w o r k i n g ，t h e n u me ri c al s i mu l a t i o n s t u d y o n t h e fl u i d fi e l d o f t h e c o n c r e t e p u mp d i s t r i b u t i n g v alv e w a s c a r r i e d o u t T h e mo d e l o f t h e c o n c r e t e p u mp d i s t ri b u t i n g v a l v e w a s e s t a b l i s h e d i n S o l i d Wo r k s ，b e i n g me s h e d a n d i t s b o u n d a r y c o n d i t i o n s w e r e d e fi n e d i n GAMB I T， a n d t h e c a l c u l a t i o n wa s c a r r i e d o u t i n F l u e n t ，t h e fl u i d fie l d o f t h e c o n c r e t e p u mp d i s t ri b u t i n g v alv e w a s s t u d i e d T h e r e s u l t p r o v i d e s s o me t h e o r e t i c a l and p r a c t i c al v alu e f o r t h e d e s i g n a n d t h e we a r d e t e c t i o n o f c o n c r e t e p u mp d i s t r i b u t i n g v alv e Ke y wo r d s ：C o n c r e t e p u mp；Di s t ri b u t i n g v alv e ；F l u i d fi e l d；CF D ；W e a r d e t e c t i o n 混凝土泵是通过管道依靠压力输送混凝土的施工 设备 ，它能够一次连续地完成水平输送和垂直输送， 在国内外已得到了广泛的应用。混凝土泵分配阀作 为混凝土泵的 “ 心脏” ，其工作可靠性的高低将直接 影响混凝土泵的使用性能。因此，研究泵送施工作业 时的混凝土泵分配阀内部流场分布情况十分必要。 计算流体动力学 ( C F D )是通过计算机数值计算 和图像显示 ，对包含流体流动和热传导等相关物理现 象的系统所作的分析，广泛应用于水利、航运、流体 机械等各种技术科学领域 “ 。S o l i d Wo r k s 作为 Wi n d o w s 平 台下 的机械设计软件 ，完全融人了 Wi n d o w s 软件使用方便和操作简单的特点，而且具有强大的基 于特征的实体建模功能，也已经得到广泛的应用 。 在 S o l i d Wo r k s 中建立了混凝土泵分配阀模型 ，在 G A MB I T中划分网格并指定边界条件 ，并在 F l u e n t 中 进行求解计算 ，研究混凝土泵分配阀的流场。 1 混凝土泵分配阀几何模型 混凝土泵分配阀的种类很多，包括蝶形分配阀、 闸板式分配阀和管形分配阀 。 一 。其 中，s形管阀 是 目前混凝土泵中使用最广泛的一种分配阀，它置于 集料斗内，一端与输送管相连，另一端在摆动液压系 统的驱动下左右摆动，交替连通混凝土缸和输送管 道 ，将料斗中的混凝土连续不断地输送到浇注点。 S形管阀有变径和不 变径两种形式，其中不变 径 s形管阀在工作时阀体 所受 的冲击小、阻力 小、 磨损小，混凝土在其 中流 动顺畅且加工容易。目前 大多数混凝土泵均采用不 变 径 的 S形 管 阀 。在 图 1 不变径的S形 管阀模型 S o l i d Wo r k s 中建立不变径的S形管阀模型如图 1 所示。 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 4 2 8 基金项目：清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目 ( S K L T K F I 3 n O 7 ) ；国家 自然科学基金资助项 目 ( 5 1 3 6 5 0 0 8 ) ； 贵州省 自然科学基金项 目 ( 黔科合 J 字 2 0 1 0 2 2 4 7号) 作者简介：赵青 ( 1 9 7 8 一 ) ，博 士，副教授，主要从事水利工程 、岩土工程 的教学与科研工作。Ema i l ：h e a e x t 1 6 3 c o m。 第 1期 赵青 等 ：混凝土泵分配阀流场数值仿真研究 1 2 1 2 混凝土简易多相流模型的选取 目前，用于研究多相流的方法有欧拉 一 拉格朗日 方法和欧拉 一欧拉方法 。欧拉 一 拉格朗日方法将流 体相视为连续相，使用基于网格的时问平均方法来得 到连续相流场 ，离散相通过计算流场中大量粒子的运 动得到 ，离散相和流体相之间存在质量、动量和能量 的交换。欧拉 一 欧拉法中将不同的相处理成互相贯穿 的连续介质 ，把颗粒视作为拟流体，即连续流体模 型 。 在 F l u e n t 中，有 3种欧拉 一欧拉模型：V O F模 型、混合模型和欧拉模型。其 中，V O F模型适用于 分层的 自由表面流。在欧拉模型中，各相被处理为互 相贯通的连续体 ，并且适用于分散相只集中于区域的 一 部分。混合模型可用于两相流或多相流 ( 流体或 颗粒) ，并且颗粒的分散有着宽广的分布 。泵送混 凝土是通过将水 、水泥和粗细集料进行充分搅拌及混 合而成 ，粗细集料分布均匀。因此 ，文中的计算选用 混合模型。 混合模型的连续方程 ： O ( p m)+ ( p ， )= 而 ( 1 ) ( P ) + ( P )=一 ( a p p 1 ， d r )( 4 ) U 3混凝土泵分配阀流场数值仿真 泵送混凝土 时 ，分 配阀在 摆动液压系统的驱动下 左右摆动 ，交替连通混凝土缸和输送管道，分配阀的 尺寸如图2所示 ，分配阀与混凝土缸连接关系如图 3所示。其中，分配阀连接输送管道和混凝土缸的两 个端面的中心距为 2 4 0 m m，分配阀和混凝土缸的直 径为 1 8 0 m m，两个 混凝土缸中心距为 2 4 0 m m。结合 图 2和图 3可以看出 ，分配阀在连接混凝 土缸时需要 摆动的角度分别为相对于竖直方向左3 0 。 和右 3 0 。 。 、 、 3 f 、 、 诅 一 一 一 i n 一 式 中 ： m为质量 平均速度 ， m ； 接 混 o l 为第 k相的体积分数； P 为混合密度， P ： p ； 为由于气穴或用户定义 的质量源的质量传 递 。 混合模型的动量方程 ： ( p ， )+ ( P l ， )= 一 + ( V v 十 ： ) + p g + F+ ( a kp l ，d r l dr ) ( 2 ) 式 中 ：n为相数 ； F为体积力 ； 为混合黏性， x = ； d r为第二相的飘移速度 ， d r ： 一 。 ,k k V 混合模型的能量方程 ： 啬 ( o zp k E k ) + ( ( p E + p ) ) ： ( 。 ) + S ( 3 ) 式中： 。 为有效热传导率。 第二相的体积分数方程 ： 从第二相P的连续方程，可以得到第二相P的体 积分数方程为 ： 图 2 分配 阀尺寸 土 缸 图3 分配阀与混凝土缸的连接关系 启动 G A MB I T ，选择求解器 F l u e n t 5 6 ，导人在 S o l i d Wo r k s 中建 立 的不 变径 S形 管 阀模 型 并划 分 网 格 ，如图4所示。边界条件分别指定进 口为速度进 口 ( V e l o c i t y i n l e t ) ，出 口为 出流( O u t fl o w ) 。 ( a ) 左3 O 。 ( b ) 右3 O 。 图 4 划分网格后的 s形管阀模型 启动 F l u e n t ，导人 s 形管阀模型的网格文件 ，检 1 6 8 机床与液压 第 4 2卷 0 2 5 0 2 套 0 1 5 斟 _ 森0 O O 5 O 入 案 l 2 I 2 3 形态 属 性 人机 属性 涂装 属 性 经 济 属性 色彩属性 材质属性 环境属性 图4 数控机床设计评价体系对 比图 5结论 将模糊理论与层次分析法相结合，通过评价指标 体系分解和评价指标权重计算建立了评价矩阵，建立 了数控机床工业设计评价体系，构建了模糊层次分析 评价数学模型 ，并将此模型应用于实际的数控机床设 计案例评价中，对于企业的设计方案评价具有一定的 指导作用。 参考文献 ： 【 1 】陆长德 现代设计新法： 工业设计 M 西安： 西北工业 大学出版社， 1 9 9 6 ： 1 3 【 2 】桑书林 数控机床造型设计特点分析 J 机床与液压， 1 9 9 8( 4)： 3 84 2 【 3 】 蔡鸿明， 陆长德 ， 何卫平 ， 等 机床工业设计模糊评价系 统的构造研究与实现 J 计算机辅助设计与图形学学 报 ， 1 9 9 9 ， 1 1 ( 3 ) ： 2 7 2 2 7 5 【 4 】 谭征宇， 赵江洪， 孙守迁 基于意象尺度的数控机床造型 风格意象认知研究 J 中国机械工程， 2 0 0 6 ， 1 7 ( 5 ) ： 5 1 9 5 2 8 【 5 】赵道致， 王敏， 于爱兵 基于 Q F D的机床造型再设计决 策研究 J 机械设计， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ： 6 7， 6 1 【 6 】 朱上上， 罗仕鉴 ， 赵江洪 基于人机工程的数控机床造型 风格意象尺度研究 J 计算机辅助设计 与图形学学 报， 2 0 0 0 ， 1 2 ( 1 1 ) ： 8 7 3 8 7 5 【 7 】 赵江洪， 张军， 孙宗禹 基于 I n t e r n e t 的计算机辅助数控 机床工业设计研究 J 湖南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 2 ， 2 9 ( 5 ) ： 5 5 6 0 【 8 】 张军， 赵江洪， 孙宗禹 网络协同数控机床工业设计系统 中的知识获取与应用研究 J 机械工程学报， 2 0 0 4 ， 4 0 ( 6 ) ： 1 4 91 5 4 【 9 】肖 位枢 模糊数学基础及应用 M 北京： 航空工业出版 社 ， 1 9 9 2 【 l 0 】S A A T Y T L T h e A n a l y t i c H i e r a r c h y P r o c e s s M N e w Yo r k ： Mc Gr a w Hi l l ， 1 9 8 0 【 1 l 】张吉军 模糊层次分析法 J 模糊系统与数学， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 2 ) ： 8 O一 8 8 ( 上接第 1 2 2页) 【 4 】 王福军 计算流体动力学分析 ： C F D软件原理与应用 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 【 5 】 魏峥 ， 王一惠， 宋晓明 S O L I D W O R K S 2 0 0 8基础教程与 上机指导 M 北京： 清华大学出版社， 2 0 1 0 【 6 】赵志缙 泵送混凝土 M 北京 ： 中国建材工业出版社， 1 98 5 【 7 】 赵志缙 ， 赵帆 混凝土泵送施工技术 M 北京： 中国建 筑工业出版社， 1 9 9 8 【 8 】陈宜通， 田利芳 混凝土泵 s 型管阀程序设计 J 西安 建筑科技大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 7( 1 ) ： 1 4 4 1 45， 1 4 8 【 9 】 王占榜 稠化胶体在管道内的流动特性研究 D 西安 ： 西安科技大学， 2 0 0 4 ( 上接第 1 3 1页) 力峰值 ，有效避免高压溢流阀频繁开启导致系统功率 损失而产生热量 。 参考文献 ： 【 l 】 L E B R U N M A M o d e l f o r F o u r Wa y s r lo o l V al v e A p p l i e d t o P r e s s u r e C o n t r o l S y s t e m J T h e J o u r n al o f F l u i d C o n t r o l ， 1 9 8 7 ， 1 7 ( 4 ) ： 3 8 5 4 【 2 】 M c C L O Y D， M A R T I N H： C o n t r o l of F l u i d P o w e r ： A n a l y s i s a n d D e s i g n M 2 n d e d i t i o n E ll i s H o r w o o d L i m i t e d ， 1 9 8 0 【 3 】郁凯元， 盛敬超 关于内流式锥阀稳态液动力方向的探 讨与有关液压传动教科书作者们商榷 J 液压与 气动， 2 0 0 6 ( 1 0 ) ： 2 6 2 8 【 4 】 B L A K B U R N J F ， R E E T H O F G， S H E A R E R J L F l u i d P o w e r C o n t r o l M T h e T e c h n o l o g y P r e s s o f MI T ， 1 9 6 0 【 5 】赵雷， 陈青， 权龙 阀芯运动状态滑阀内部流场的可视化 分析 J 农业机械学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 1 ) ： 1 4 31 4 5 【 6 】I M A G I N E S A A M E S i m U s e r M a n u al M 2 0 0 3 【 7 】I X U B u s u a n ， R E N G u a n g s h e n g M o d e l i n g a n d C o s i m u l a t i o n f o r Hy d r a u l i c S y s t e m o f T e s t b e d o f S e mi a u t o ma t i c C o u p l e r D r a f t G e a r b a s e d O 11 A ME S i m S i m u l i n k J A d v a n c e d Ma t e r i a l Re s e arc h， 2 01 1， 1 99 2 0 0： 1 2 3 0 1 23 5