沈俊杰， 付 石， 王彩濤

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 前言

預(yù)拌水泥凈漿是二次攪拌工藝的一種， 研究表明預(yù)拌水泥凈漿可以提高混凝土的均勻性， 提高混凝土的強度、耐久性等各項性能指標(biāo)，因而對水泥凈漿的研究具有現(xiàn)實意義。 凈漿攪拌時拌合物經(jīng)過較短的拌和時間就能在宏觀層面上達到均勻，但是在微觀層面上，水泥和水的體系中會受到諸如范德華力、靜電引力等作用，會有水泥絮團現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致微觀層面的不均勻性發(fā)生，這就需要我們進一步對微觀層面上的水泥顆粒團聚現(xiàn)象進行研究。 為獲得精確的水泥顆粒粒徑分布、濃度分布等仿真結(jié)果，在歐拉-歐拉雙流體模型上加入群體平衡模型，研究攪拌的均勻性[1]。

水泥凈漿攪拌裝置參數(shù)對水泥絮團現(xiàn)象的發(fā)生有很大影響，有攪拌裝置轉(zhuǎn)速、攪拌時長、攪拌葉片形狀等。 本文主要研究攪拌葉片形狀對水泥絮凝結(jié)構(gòu)的影響，GARRECHT 等提及到葉片穿孔在攪拌區(qū)域提供更大的剪切作用，更加劇烈混合分散固體和液體攪拌[2]，劉小寶等指出葉片帶有通孔能夠使得攪拌液的攪拌更加激烈、混亂，可以得到更好的分散效果[3]。 本文攪拌葉片形狀采用帶孔葉片與無通孔葉片這兩種。

1 PBM 群體平衡模型

目前固液兩相攪拌中多采用歐拉-歐拉模型，沒有考慮到離散相粒子與粒子之間、 粒子與壁面間由于碰撞產(chǎn)生的聚合與破碎問題[4]，不能更好的反映離散相的空間分布特征。 本文在歐拉-歐拉模型基礎(chǔ)上加載PBM 群體平衡模型來表達多相流離散相隨著傳遞發(fā)生存在的粒徑大小的分布[5]。 群體平衡方程為：

等號后四項分別表示離散相粒子的聚合生成、 離散相粒子的聚合消失、離散相粒子的破碎生成以及離散相粒子的破碎消失。

方程邊界與初始條件是：

ANSYS Fluent 中群體平衡模型提供聚合、破碎模型，本次采用luo-model 和ghadiri-model 分別模擬水泥顆粒的聚合與破碎現(xiàn)象。

2 計算模型與邊界條件

2.1 計算模型建立

本文建立的水泥凈漿攪拌設(shè)備模型是由攪拌裝置和攪拌槽組成的簡化模型。 簡化攪拌槽的直徑為250mm、高度為300mm，槽內(nèi)裝有一個四葉片攪拌裝置，如圖1 所示。

圖1 攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)

槽體劃分為攪拌裝置所在流體域和靜止域兩部分，劃分網(wǎng)格數(shù)量為260 528。

2.2 邊界條件參數(shù)設(shè)置

本文研究的水泥凈漿攪拌，可以將凈漿作為不可壓流體求解，因而選擇基于壓力的求解器“Pressure Based”。 采用默認SIMPLE 方法， 即SIMPLE 格式壓力速度耦合方法。 使用k-ε 模型進行湍流計算，仿真的固液兩相流場選擇RNG k-ε 模型則能夠滿足計算要求。 采用滑移網(wǎng)格法（SMM）模擬攪拌裝置葉片旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r/min，時間步長設(shè)置為0.000 5。

仿真材料新建水泥顆粒密度為1 400 kg/m3， 初始化水泥顆粒尺寸為50μm， 水泥顆粒離散尺寸bin0 到bin5為897.9、503.9、282.8、158.7、89.0 以及50.0。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 水泥顆粒分布總體特征

因為本次模擬的是水泥凈漿的攪拌， 必要對流體的速度研究，圖2 是軸截面速度分布情況，可以看出帶孔葉片整體速度較無通孔葉片要大些， 可以說明攪拌葉片帶孔時比較有利。

圖2 速度分布情況

圖3 是軸截面的水泥體積分數(shù)云圖，通過水泥體積分數(shù)分布能夠觀察攪拌的最終情況如何。 無通孔葉片攪拌槽兩邊區(qū)域較小部分水泥體積分數(shù)比帶孔葉片略小，但整體上帶孔葉片水泥體積分數(shù)要大于通孔葉片， 這在一定程度上說明葉片帶孔的結(jié)構(gòu)比無通孔葉片結(jié)構(gòu)要好。

圖3 水泥體積分數(shù)分布情況

3.2 水泥顆粒絮團粒徑分布

群體平衡模型模擬水泥凈漿攪拌設(shè)備內(nèi)水泥顆粒的團聚現(xiàn)象，圖4 是整個計算域空間不同粒徑水泥絮團粒徑分布直方圖。 可以看出，無通孔葉片水泥絮團粒徑最終在0.8mm～0.9mm 之間數(shù)量占到80%還多些明顯大于帶孔葉片的60%多些， 表明無通孔葉片攪拌最終更易形成大粒徑的水泥絮團結(jié)構(gòu)，不利于凈漿的攪拌。

圖4 水泥絮團粒徑分布

4 結(jié)論

本次仿真采用群體平衡模型與歐拉-歐拉模型耦合的方法對攪拌設(shè)備內(nèi)水泥和水兩相進行三維仿真模擬，通過模擬試驗對比研究，得到以下結(jié)論：

1） 基于傳統(tǒng)歐拉-歐拉模型的PBM 群體平衡模型，一定程度上能在微觀方面上來研究水泥凈漿攪拌， 研究存在的水泥絮團現(xiàn)象，將微觀結(jié)構(gòu)的演變與宏觀特性聯(lián)系起來。

2） 通過對比仿真研究， 能夠發(fā)現(xiàn)帶孔葉片比無通孔葉片攪拌裝置更利于水泥凈漿攪拌，可以有效破壞水泥絮凝結(jié)構(gòu)。