趙青，劉會(huì)勇

(1.貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003;2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;3.貴州大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

混凝土泵是通過(guò)管道依靠壓力輸送混凝土的施工設(shè)備，它能夠一次連續(xù)地完成水平輸送和垂直輸送，在國(guó)內(nèi)外已得到了廣泛的應(yīng)用［1］?；炷帘梅峙溟y作為混凝土泵的“心臟”，其工作可靠性的高低將直接影響混凝土泵的使用性能。因此，研究泵送施工作業(yè)時(shí)的混凝土泵分配閥內(nèi)部流場(chǎng)分布情況十分必要。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析，廣泛應(yīng)用于水利、航運(yùn)、流體機(jī)械等各種技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域［2－4］。SolidWorks作為 Windows平臺(tái)下的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，完全融入了Windows軟件使用方便和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且具有強(qiáng)大的基于特征的實(shí)體建模功能，也已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用［5］。

在SolidWorks中建立了混凝土泵分配閥模型，在GAMBIT中劃分網(wǎng)格并指定邊界條件，并在Fluent中進(jìn)行求解計(jì)算，研究混凝土泵分配閥的流場(chǎng)。

1 混凝土泵分配閥幾何模型

混凝土泵分配閥的種類很多，包括蝶形分配閥、閘板式分配閥和管形分配閥［1，6－7］。其中，S 形管閥是目前混凝土泵中使用最廣泛的一種分配閥，它置于集料斗內(nèi)，一端與輸送管相連，另一端在擺動(dòng)液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下左右擺動(dòng)，交替連通混凝土缸和輸送管道，將料斗中的混凝土連續(xù)不斷地輸送到澆注點(diǎn)。

S形管閥有變徑和不變徑兩種形式，其中不變徑S形管閥在工作時(shí)閥體所受的沖擊小、阻力小、磨損小，混凝土在其中流動(dòng)順暢且加工容易。目前大多數(shù)混凝土泵均采用不變徑的 S 形管閥［8］。在SolidWorks中建立不變徑的S形管閥模型如圖1所示。

圖1 不變徑的S形管閥模型

2 混凝土簡(jiǎn)易多相流模型的選取

目前，用于研究多相流的方法有歐拉－拉格朗日方法和歐拉－歐拉方法［2］。歐拉－拉格朗日方法將流體相視為連續(xù)相，使用基于網(wǎng)格的時(shí)間平均方法來(lái)得到連續(xù)相流場(chǎng)，離散相通過(guò)計(jì)算流場(chǎng)中大量粒子的運(yùn)動(dòng)得到，離散相和流體相之間存在質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換。歐拉－歐拉法中將不同的相處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)，把顆粒視作為擬流體，即連續(xù)流體模型［2］。

在Fluent中，有3種歐拉－歐拉模型:VOF模型、混合模型和歐拉模型。其中，VOF模型適用于分層的自由表面流。在歐拉模型中，各相被處理為互相貫通的連續(xù)體，并且適用于分散相只集中于區(qū)域的一部分?；旌夏Ｐ涂捎糜趦上嗔骰蚨嘞嗔?(流體或顆粒)，并且顆粒的分散有著寬廣的分布［2］。泵送混凝土是通過(guò)將水、水泥和粗細(xì)集料進(jìn)行充分?jǐn)嚢杓盎旌隙桑旨?xì)集料分布均勻。因此，文中的計(jì)算選用混合模型。

混合模型的連續(xù)方程［9］:

式中:vm為質(zhì)量平均速度，

αk為第k相的體積分?jǐn)?shù);

ρm為混合密度，

混合模型的動(dòng)量方程［9］:

式中:n為相數(shù);

F為體積力;

μm為混合黏性，

vdr，k為第二相 k 的飄移速度，vdr，k=vk－ vm?；旌夏Ｐ偷哪芰糠匠蹋?］:

式中:keff為有效熱傳導(dǎo)率。

第二相的體積分?jǐn)?shù)方程［9］:

從第二相p的連續(xù)方程，可以得到第二相p的體積分?jǐn)?shù)方程為:

3 混凝土泵分配閥流場(chǎng)數(shù)值仿真

泵送混凝土?xí)r，分配閥在擺動(dòng)液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下左右擺動(dòng)，交替連通混凝土缸和輸送管道，分配閥的尺寸如圖2所示［8］，分配閥與混凝土缸連接關(guān)系如圖3所示。其中，分配閥連接輸送管道和混凝土缸的兩個(gè)端面的中心距為240 mm，分配閥和混凝土缸的直徑為180 mm，兩個(gè)混凝土缸中心距為240 mm。結(jié)合圖2和圖3可以看出，分配閥在連接混凝土缸時(shí)需要擺動(dòng)的角度分別為相對(duì)于豎直方向左30°和右30°。

圖2 分配閥尺寸

圖3 分配閥與混凝土缸的連接關(guān)系

啟動(dòng)GAMBIT，選擇求解器 Fluent5/6，導(dǎo)入在SolidWorks中建立的不變徑S形管閥模型并劃分網(wǎng)格，如圖4所示。邊界條件分別指定進(jìn)口為速度進(jìn)口(Velocity-inlet)，出口為出流 (Outflow)。

圖4 劃分網(wǎng)格后的S形管閥模型

啟動(dòng)Fluent，導(dǎo)入S形管閥模型的網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格并設(shè)置單位之后，需要對(duì)解法、進(jìn)口速度、多相流模型等相關(guān)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這些計(jì)算參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

將混凝土作為兩相流混合模型處理，在定義多相流時(shí)，將流體相設(shè)置為第一相，將顆粒相設(shè)置為第二相。流體相和顆粒相的材料屬性見(jiàn)表2。

表2 混凝土兩相流體材料屬性

經(jīng)過(guò)Fluent求解計(jì)算，混凝土分配閥流場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 混凝土分配閥壓力分布流場(chǎng)

仿真結(jié)果分析:

圖5中，(a)、(b)、(c)分別為分配閥擺動(dòng)角度相對(duì)于豎直方向左30°時(shí)壓力分布流場(chǎng)的后視圖、前視圖和左視圖，(d)、(e)、(f)分別為分配閥擺動(dòng)角度相對(duì)于豎直方向右30°時(shí)壓力分布流場(chǎng)的前視圖、后視圖和左視圖。結(jié)合各圖可看出:泵送混凝土?xí)r，分配閥內(nèi)的壓力從連接混凝土缸一端到連接輸送管道一端逐漸減小，在連接混凝土缸一端的底部達(dá)到最大，而在連接輸送管道一端的底部達(dá)到最小;當(dāng)分配閥的擺動(dòng)角度相對(duì)于豎直方向左30°時(shí)，分配閥內(nèi)壓力在連接混凝土缸一端的左外端面最大;當(dāng)分配閥的擺動(dòng)角度相對(duì)于豎直方向右30°時(shí)，分配閥內(nèi)壓力在連接混凝土缸一端的右外端面最大。因此，泵送混凝土?xí)r，分配閥連接混凝土缸一端的左右外端面承受的壓力最大，造成的磨損最嚴(yán)重。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)混凝土泵分配閥的作用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用SolidWorks建立了混凝土泵分配閥模型，在GAMBIT中劃分網(wǎng)格并指定了邊界條件，并在Fluent中進(jìn)行求解計(jì)算，研究了混凝土泵分配閥的內(nèi)部流場(chǎng)。

仿真結(jié)果表明:(1)分配閥內(nèi)的壓力從連接混凝土缸一端到連接輸送管道一端逐漸減小，說(shuō)明泵送壓力將隨著距離的增大而減小;(2)泵送混凝土?xí)r，分配閥連接混凝土缸一端的左右外端面承受的壓力最大，造成的磨損最嚴(yán)重。

因此，在設(shè)計(jì)混凝土泵分配閥時(shí)，應(yīng)著重考慮在泵送混凝土?xí)r，分配閥與混凝土缸連接端的磨損情況，采用耐磨材料并且保證分配閥內(nèi)部足夠光滑，以降低混凝土對(duì)分配閥的磨損。

【1】張國(guó)忠．現(xiàn)代混凝土泵車(chē)及施工應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004．

【2】張凱，王瑞金，王剛．Fluent技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例［M］．2版．北京:清華大學(xué)出版社，2010．

【3】韓占忠，王敬，蘭小平．FLUENT:流體工程仿真計(jì)算機(jī)實(shí)例與應(yīng)用［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2004．

【4】王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

【5】魏崢，王一惠，宋曉明．SOLIDWORKS2008基礎(chǔ)教程與上機(jī)指導(dǎo)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2010．

【6】趙志縉．泵送混凝土［M］．北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，1985．

【7】趙志縉，趙帆．混凝土泵送施工技術(shù)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998．

【8】陳宜通，田利芳．混凝土泵S型管閥程序設(shè)計(jì)［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，37(1):144－145，148．

【9】王占榜．稠化膠體在管道內(nèi)的流動(dòng)特性研究［D］．西安:西安科技大學(xué)，2004．