楊 蒙，郭霽賢，張國(guó)強(qiáng)，曹文斌，朱彥鵬

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.四川航天建筑工程公司，四川 成都 610000；3.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

引言

混凝土結(jié)構(gòu)在土木建筑工程及公路建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，在不良地段的快速立模施工中經(jīng)常使用混凝土灌漿設(shè)備進(jìn)行加固，混凝土噴嘴作為混凝土灌漿設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)選擇將直接影響噴射出的混凝土混合均勻度，進(jìn)而影響混凝土灌漿施工的施工效率和加固效果。

傳統(tǒng)混凝土噴嘴的進(jìn)風(fēng)道是與噴嘴軸線成一定夾角的沿軸線圓周均布排列的多個(gè)斜向小孔，夾雜著速凝劑的高速氣流通過(guò)斜向小孔噴入噴嘴，將流過(guò)的混凝土打散、分離[1]。但是拌制好的成熟混凝土在噴嘴內(nèi)輸運(yùn)的物理狀態(tài)極為復(fù)雜，且易受混凝土自身性質(zhì)等多種因素影響，使混凝土在與速凝劑混合時(shí)容易形成大小不均勻的黏性膠質(zhì)團(tuán)，導(dǎo)致噴嘴出口出料不穩(wěn)定，產(chǎn)生流量脈動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成堵管[2]?，F(xiàn)有噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)多以濕噴機(jī)為應(yīng)用背景開展相關(guān)研究，主要基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在泥漿管入射角、混合管與變徑管的長(zhǎng)度及聚料管直徑等方面對(duì)噴嘴出口混凝土混合均勻度的影響進(jìn)行分析[3]，并沒(méi)有針對(duì)混凝土噴嘴研究改變其結(jié)構(gòu)對(duì)混合效果的影響。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種自混合的混凝土噴嘴，噴嘴的使用方式與傳統(tǒng)噴嘴相同，但是該型噴嘴可以減少黏性膠質(zhì)團(tuán)的形成，降低出料脈動(dòng)和堵管的可能性。通過(guò)使用正交試驗(yàn)法，利用Fluent仿真軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，以提高噴嘴出口成分混合均勻度為優(yōu)化目標(biāo)，得到新型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合[4]。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)混凝土噴嘴結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，現(xiàn)有噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)多以濕噴機(jī)為應(yīng)用背景開展相關(guān)研究，主要以圓周設(shè)置進(jìn)氣口為傳統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)，在泥漿管入射角、預(yù)混合管的長(zhǎng)度、變徑管的長(zhǎng)度、聚料管直徑等方面對(duì)噴嘴出口混凝土混合均勻程度進(jìn)行分析。存在混凝土料流被沖擊集中于噴嘴中心，無(wú)法混合速凝劑，導(dǎo)致速凝劑直接排出，危害操作工人健康等問(wèn)題[5]。

1.直管 2.引氣環(huán) 3.混合芯 4.卡環(huán) 5.前部聚斂段 6.聚料口圖1 傳統(tǒng)混凝土噴嘴結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)混凝土噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 新型噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)改善混凝土混合均勻度的問(wèn)題，本研究提出了一種新型混凝土噴嘴結(jié)構(gòu)，研究改變其混合結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混凝土混合效果的影響。

新型噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示，在噴嘴的使用過(guò)程中，混凝土拌合料流通過(guò)連接頭7進(jìn)入噴嘴中，而速凝劑與壓縮空氣經(jīng)混合后通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入混合器6；氣流通過(guò)設(shè)置在混合器6上的通孔單元進(jìn)入混合腔；與混凝土拌合料進(jìn)行混合；利用空氣與混凝土的推力將混凝土料流向前輸送，通過(guò)噴管1噴出。

1.噴管 2.混合柱 3.混合腔 4.墊片 5.內(nèi)六角螺栓 6.混合器 7.連接頭圖3 新型噴嘴設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)設(shè)置橢圓柱混合器6，并在混合器上設(shè)置垂直于混合器中心軸線的通孔，在噴嘴內(nèi)設(shè)置沿圓周方向錯(cuò)位、間隔均勻分布的混合柱2，使壓縮空氣和速凝劑的混合物與混凝土在噴嘴內(nèi)混合，混合物在流過(guò)混合柱2時(shí)，可以進(jìn)行二次混合，減少黏性膠質(zhì)體料團(tuán)的形成，提高混合均勻度。圖4為新型噴嘴混合器結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖4 新型噴嘴混合器結(jié)構(gòu)剖視圖

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型建立及網(wǎng)格劃分

圖5所示為新型噴嘴三維模型。將建立的三維模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行流體域模型抽取，再將流體域模型導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行流體域模型網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分并簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)以減少計(jì)算量，全局網(wǎng)格尺寸為6 mm，部分結(jié)構(gòu)加密網(wǎng)格最大為1 mm，噴管的管壁均設(shè)置5層初始厚度為1 mm，增長(zhǎng)率為1.2，最大厚度為1.5 mm的邊界層，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.2以上。新型噴嘴流體域的網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖5 新型噴嘴三維模型

圖6 新型噴嘴流體域三維網(wǎng)格模型

2.2 基本假設(shè)

由于噴嘴內(nèi)部的混凝土流動(dòng)是一個(gè)極為復(fù)雜的多相流混合過(guò)程，為便于計(jì)算作如下假設(shè)[6-8]：

(1) 將噴嘴內(nèi)流體視為定常流動(dòng)；

(2) 忽略噴嘴內(nèi)砂、碎石之間的碰撞以及砂、碎石與噴嘴壁面之間的相互作用力；

(3) 忽略混凝土中各項(xiàng)之間的化學(xué)反應(yīng)以及混凝土料流與噴嘴壁面之間的熱量交換；

(4) 將拌制好的混凝土視為各項(xiàng)同性的液體。

2.3 邊界條件

采用mixture模型和k-ε模型中的標(biāo)準(zhǔn)模型，基于壓力求解器求解[9]?；炷亮黧w密度為2500 kg/m3，混凝土動(dòng)力黏度為32 N·s/m2。根據(jù)混凝土噴嘴實(shí)際使用工況，混凝土料流流量約為5 m3/h，通過(guò)流場(chǎng)連續(xù)性等方程計(jì)算分析，得出噴嘴內(nèi)粗/細(xì)骨料與水泥漿等組成的混凝土流體速度為0.2448 m/s，混凝土流體進(jìn)口設(shè)置為速度入口；空氣和速凝劑混合物進(jìn)口設(shè)置為壓力入口，表壓為0.1 MPa，空氣和速凝劑的體積比為95∶5；噴嘴出口設(shè)置為壓力出口，表壓為0；壓力速度耦合方案使用SIMPLE算法，計(jì)算進(jìn)出口質(zhì)量流量差為±0.01 kg/s。

3 正交試驗(yàn)

通過(guò)分析，確定可能影響噴嘴混合效果的參數(shù)如下：

(1) 噴管的總體混合長(zhǎng)度、設(shè)置在噴管中的混合柱間距和近出口處混合柱與出口間的距離；

(2) 出口直徑；

(3) 速凝劑和空氣噴出小管與XY面間的夾角；

(4) 混合柱的個(gè)數(shù)與夾角。

根據(jù)上述分析對(duì)混合器內(nèi)部參數(shù)采用正交試驗(yàn)法的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選擇有效長(zhǎng)度、出口直徑、噴射角度與混合柱個(gè)數(shù)作為試驗(yàn)研究的主要影響因素，每個(gè)因素取3水平，試驗(yàn)方案及數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示[10]。由于速凝劑在噴出的混凝土流體中的含量只有5%，與另外兩種成分相比含量差距懸殊。因此，本研究忽略混凝土中的速凝劑，用空氣在混凝土中的均勻度來(lái)表征噴嘴中混合流體的均勻度：

表1 試驗(yàn)方案及數(shù)值模擬結(jié)果

(1)

(2)

(3)

式中，H——出口均勻度,%

S——x的標(biāo)準(zhǔn)偏差

x——噴嘴出口端面空氣體積分?jǐn)?shù)

xi——噴嘴出口端面空氣體積分?jǐn)?shù)均值

由表1所得數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)8的混合均勻度最高，為70.26%。表2為對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行的極差分析，其中R值為極差值，表示該因素對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響程度，極差值R越大，則該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著；x1,x2,x3為水平1,2,3的均值[11-12]。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果極差分析

由表2可知，4個(gè)因素對(duì)混合均勻度影響的主次順序?yàn)锳>B>C>D，即噴嘴有效長(zhǎng)度對(duì)混凝土混合均勻度的影響最為顯著，出口直徑與噴射角度對(duì)混凝土混合均勻度的影響程度基本持平，混合柱個(gè)數(shù)對(duì)混凝土混合均勻度的影響較弱。

不同因素與水平對(duì)混凝土均勻度的影響如圖7所示，在A3,D3時(shí)可以得到最佳混合均勻度，在B2時(shí)得到最佳混合均勻度，在C1時(shí)得到最佳混合均勻度。

圖7 不同因素與水平對(duì)混凝土混合均勻度的影響趨勢(shì)

綜上所述，正交試驗(yàn)的最佳組合為A3,B2,C1,D3，噴嘴有效長(zhǎng)度為475 mm,出口直徑75 mm,噴射角度50°，混合柱均布設(shè)置為6個(gè)，確定第8組試驗(yàn)為最優(yōu)方案。

4 優(yōu)化前后數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

傳統(tǒng)噴嘴模型出口均勻度為60.57%，新型噴嘴優(yōu)化后模型的出口均勻度為70.26%，均勻度提高了9.69%，由此可知相比于傳統(tǒng)噴嘴，新型噴嘴的混合效果更好。主要原因?yàn)椋?/p>

(1) 混合器設(shè)置在噴嘴混凝土流道內(nèi)，而且在混合器上設(shè)置了3組垂直于混合器中心軸線的通孔，可以充分打散流動(dòng)中的混凝土料流，形成懸浮狀；

(2) 噴管內(nèi)設(shè)置了沿圓周方向錯(cuò)位、間隔均勻分布的混合柱，可以進(jìn)一步的對(duì)速凝劑與混凝土的攪拌，減少黏性膠質(zhì)團(tuán)的形成，提高了混凝土與速凝劑的混合均勻度。

圖8、圖9分別為空氣、混凝土體積分布云圖。傳統(tǒng)噴嘴出口端面空氣與混凝土體積分?jǐn)?shù)云圖呈環(huán)形分布，由于傳統(tǒng)噴嘴進(jìn)氣口沿管壁圓周分布設(shè)置，因此導(dǎo)致高速氣流沖擊混凝土，使混凝土主要集中在流場(chǎng)中心部位，而壓縮空氣分布在圓周外圍，靠近圓心處的混凝土無(wú)法與壓縮空氣相互接觸，容易形成黏性膠質(zhì)團(tuán)，導(dǎo)致噴嘴出口出料脈動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)噴嘴堵塞；新型噴嘴出口端面混凝土部分集中在管壁兩側(cè)，壓縮空氣分布在噴管中心，新型噴嘴的混凝土相分布更均勻，壓縮空氣可以深入到混凝土內(nèi)部，且由于存在混合柱，減少了混凝土黏性膠質(zhì)團(tuán)的形成，降低流量脈動(dòng)。

圖8 空氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖9 混凝土相體積分?jǐn)?shù)云圖

5 結(jié)論

本研究以提高噴嘴出口混凝土中速凝劑均勻度為優(yōu)化目標(biāo)，完成了新型噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于正交試驗(yàn)，利用Fluent仿真軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1) 噴嘴各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混凝土料流與速凝劑混合均勻度影響主次順序?yàn)椋河行чL(zhǎng)度、出口直徑、噴射角度、混合柱個(gè)數(shù);

(2) 仿真計(jì)算優(yōu)化后的新型噴嘴最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：噴嘴有效長(zhǎng)度475 mm，出口直徑75 mm，噴射角度50°，混合柱均布設(shè)置6個(gè);

(3) 新型噴嘴經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后出口均勻度提高了9.69 %，達(dá)到了提高速凝劑、壓縮空氣與混凝土混合效果的目的，并驗(yàn)證了新型噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。