朱學(xué)平 陳靜 胡亞貞

中航工業(yè)安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

1 引言

散裝水泥運輸半掛車使用方便、運輸效率高、成本低，是實現(xiàn)中短途散裝水泥運輸?shù)妮^好工具。為實現(xiàn)整車質(zhì)心低、行駛安全、經(jīng)濟效益高的特點，國內(nèi)散裝水泥運輸半掛車多采用V型臥FLUENT計算流體動力學(xué)軟件，本文對散裝水泥運輸罐車在剎車過程罐內(nèi)水泥的流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和式罐的結(jié)構(gòu)[1]。近年來，隨著計算機運算速度的提高，針對散裝物料運輸車物料流動特性的數(shù)值模擬技術(shù)得到了迅速發(fā)展[2-4]。為探索散裝水泥運輸半掛車在剎車過程中罐內(nèi)水泥的流動特性，基于研究。

2 雙流體模型及控制方程

歐拉雙流體模型的基本假設(shè)[5]：把顆粒和氣體都看成是連續(xù)介質(zhì)；認(rèn)為空間各點都有這兩種流體各自不同的速度、密度分布，共同占據(jù)同一空間而互相滲透；顆粒和氣體存在不同的體積份額（或出現(xiàn)的概率），相互間存在著滑移。根據(jù)質(zhì)量守恒和動量守恒定律，建立連續(xù)方程和動量方程[6]：

連續(xù)性方程：

式中，α、ρ、v分別表示體積分?jǐn)?shù)、密度和瞬時速度，S為質(zhì)量源項。

式中， g為重力加速度，β為相間交換系數(shù)，p為壓強，τ為應(yīng)力張量，u為平均速度。

氣固相之間曳力關(guān)系采用Syamlal-O'Brien曳力定律，其控制方程為：

式中，vs,r為固相終端速度，CD，Res分別表示曳力系數(shù)，相對雷諾數(shù)，計算公式如下：

3 物理模型及計算結(jié)果

3.1 物理模型及邊界條件

散裝水泥運輸半掛車罐體為V型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。罐體由封頭、直角斜錐筒體、氣室結(jié)構(gòu)組成，涉及到的物理模型計算參數(shù)如表1所示。理論設(shè)計狀態(tài)下，牽引車載荷：

計算得K1=40.81%，適用于6×4型牽引車，此類車型具有轉(zhuǎn)彎半徑小、承載量大等優(yōu)點。

表1 物理模型參數(shù)表

由于散裝水泥運輸半掛車罐體左右兩側(cè)為對稱結(jié)構(gòu)，可簡化二維縱向截面作為散裝水泥運輸半掛車在剎車過程中做減速運動數(shù)值模擬的計算區(qū)域，如圖2所示。操作條件：罐內(nèi)壓力為0.1 MPa，溫度為30℃，初始罐內(nèi)水泥高度為2.57 m，初始固含率為0.467 7。制動過程的工況參數(shù)如表2所示，假設(shè)在剎車過程中，散裝水泥運輸半掛車做勻減速運動，數(shù)值模擬所涉及到的氣-固物性參數(shù)如表3所示。

表2 制動過程工況參數(shù)

表3 氣-固物性參數(shù)

對上述模型計算區(qū)域使用ICEM劃分不大于5 mm×5 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點數(shù)為904 406，應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT，結(jié)合邊界條件，對控制方程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解，計算時間步長為0.001 s，計算模擬剎車過程時間為2.4 s。

3.2 計算結(jié)果

圖2為常規(guī)散裝水泥半掛車在加速度a=－6.9 m/s工況下，剎2車過程罐內(nèi)水泥瞬時顆粒體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)示意圖。從圖2可以看出，在初始狀態(tài)（t=0）時，罐內(nèi)下層為水泥固體顆粒，占罐體總體積分?jǐn)?shù)的80%，上層為空氣。剎車初始階段，罐體由于受到向前的加速度影響，罐內(nèi)水泥開始向前運動，前端水泥不斷升高，尾部水泥不斷降低。隨著剎車時間的持續(xù)，罐體前部水泥不斷增加，直至漫過罐頂；罐體后部水泥不斷減少，并出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象，同時罐體底部局部出現(xiàn)水泥堆積現(xiàn)象。當(dāng)罐內(nèi)水泥向前運動出現(xiàn)最大化后，后部水泥又不斷向后回落。在t=2.4 s剎車結(jié)束時刻，牽引車載荷占水泥總質(zhì)量的55.33%，明顯高于設(shè)計載荷，散裝水泥半掛車會出現(xiàn)掛車前輪磨損嚴(yán)重、牽引車爆胎等現(xiàn)象。同時，由于水泥物料的靜止安息角為40～45°[7]，剎車后物料不能恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，罐內(nèi)前側(cè)物料多，后側(cè)物料少；由于前后側(cè)進(jìn)氣室同時進(jìn)氣，會出現(xiàn)后側(cè)粉粒物料先卸完，前側(cè)粉粒物料后卸完，即前后部分粉粒物料卸料不同步，從而影響卸料總時間。

3.3 罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后計算結(jié)果

圖3為罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的散裝水泥半掛車，在加速度α=-6.9 m/s2工況下的剎車過程中，罐內(nèi)水泥瞬時顆粒體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)示意圖。從圖3可以看出，改進(jìn)后在罐體相應(yīng)位置增設(shè)了阻流板。剎車時，水泥物料向前運動，在阻流板前側(cè)形成一個“空腔”，隨著剎車過程的繼續(xù)，空腔的氣體從阻流板下側(cè)向后溢出，前側(cè)溢出氣泡小于后側(cè)阻流板溢出氣泡，氣泡的向后運動和水泥物料的向前運動構(gòu)成了罐內(nèi)氣體-水泥物料兩相在剎車過程中的紊流流場。在t=2.4 s剎車結(jié)束時刻，牽引車載荷占水泥總質(zhì)量的47.06%，低于罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的牽引車載荷。

3.4 剎車過程牽引車載荷的變化

圖4為剎車過程0～2.4 s牽引車載荷變化的曲線圖。其中紅色圓點 曲線為常規(guī)散裝水泥運輸半掛車剎車過程中牽引車載荷的變化曲線，剎車時，主車載荷不斷增大，后趨于平穩(wěn)，并略有下降趨勢，在t=2.0 s時，主車載荷達(dá)到最大值，占水泥總質(zhì)量的56.37%；綠色方點 曲線為在散裝水泥運輸半掛車罐內(nèi)增設(shè)阻流板后，剎車過程牽引車載荷的變化曲線。剎車時，主車載荷不斷增大，最后趨于平穩(wěn)，其載荷變化幅度遠(yuǎn)小于原始模型牽引車載荷，在t=1.8 s時主車載荷達(dá)到最大值，占水泥質(zhì)量的47.27%?？梢钥闯觯倪M(jìn)后模型在罐內(nèi)增設(shè)阻流板能明顯降低散裝水泥運輸半掛車在剎車過程主車載荷的變化。

4 結(jié)語

散裝水泥運輸半掛車在剎車過程中，罐內(nèi)水泥向前運動，牽引車載荷高于設(shè)計載荷，會引起掛車前輪出現(xiàn)磨損及牽引車爆胎現(xiàn)象，同時由于水泥的物料安息角為40°～45°，剎車后物料無法恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，會引起罐內(nèi)前后部分卸料不同步問題，從而會降低卸料速度。對此提出了通過在罐體內(nèi)部增設(shè)阻流板的改進(jìn)措施，可有效降低散裝水泥半掛車在剎車過程主車載荷的變化。

[1] 徐達(dá),蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 裴未遲,韓炬,李耀剛.散裝水泥運輸罐車流化床改進(jìn)方案的研究及仿真[J].中國粉體技術(shù),2011(04):5-7.

[3] 紀(jì)宏超,李耀剛,王玉彬.基于FLUENT二次開發(fā)的散裝水泥運輸車卸料過程數(shù)值模擬[J].中國粉體技術(shù),2012(05):45-49.

[4] 朱學(xué)平.散裝面粉運輸車流化床流動特性的數(shù)值模擬[J].專用汽車,2013(07):84-86.

[5] 楊太陽,王安仁,張鎖江等.氣固鼓泡流化床的流動特性數(shù)值模擬[J].計算機與應(yīng)用化學(xué),2005(03):206-210.

[6] 王偉文,董海紅,陳光輝等.氣固流化床內(nèi)寬篩分硅粉顆粒流化特性的數(shù)值模擬[J].高?；W(xué)報,2011(2):276-282.

[7] 成大先.機械設(shè)計手冊第1卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.