竇澤浩，孫 芹，王保平，王富瑤，夾鳳仙

（1.山東交通學院工程機械學院，濟南 250357；2.山東陸達機械設備有限公司，山東菏澤 274900）

0 引言

水泥凈漿是由水泥和水按照一定比例拌合而成的可塑性混合物，廣泛應用于道路建設、巖土工程、水利水電等各種領域。道路施工過程中，為了增強水泥穩(wěn)定結構層的層間整體性，在分層施工的水泥穩(wěn)定碎石底基層與基層、基層與上基層的層間灑布一層水泥漿[1]。利用粘層漿的粘結力增加基層、底基層的整體性，從而提高公路的整體性能[2]。傳統(tǒng)施工中水泥漿灑布車的水泥使用袋裝水泥，其需要人工搬運及配制水泥漿，致使每次噴灑的水泥漿水泥含量不均勻，且噴灑范圍單一，缺乏靈活性[3]。而水泥凈漿灑布車在道路施工過程中占據(jù)重要位置，尤其是在高等級公路的鋪設過程中，各種工程機械諸如壓路機、推土機、水泥凈漿灑布車協(xié)作完成水泥凈漿的灑布作業(yè)。這些大型機械的出現(xiàn)大大提高了工作效率和施工質量。同時，在施工過程中人們發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)企業(yè)制造的水泥凈漿灑布車混合效果并不理想，噴灑出來的水泥凈漿會出現(xiàn)水泥團聚現(xiàn)象。如圖1（a）所示，許多文獻對水泥凈漿混合不均勻的原因和影響因素進行了深入分析[4-6]。

為此本文設計一款基于乳化泵原理的水泥凈漿混合泵，解決水泥凈漿的強度和均勻性問題。如圖1（b）所示，混合泵采用液力剪切和離心擠壓的方法將不相容兩相生成的混合液均勻混合，從而使得水泥粉料避免出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。預計研制水泥凈漿混合泵可實現(xiàn)水泥粉料與水高效混合，在最大化提高施工速度的同時，能夠避免粉塵飛揚，節(jié)省勞動資源，生產(chǎn)效率大幅度增加，進一步簡化了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝。水泥凈漿是非常典型的固-液兩相流，由于固-液兩相流流動非常復雜，依靠經(jīng)驗配制和理論分析的方法難以對水泥凈漿均勻性的微觀特性進行分析。因此，借助于流體力學軟件（Fluent）對混合泵進行流場特性研究，并且對混合泵的結構參數(shù)和工況參數(shù)優(yōu)化有重要意義。

圖1 水泥粉料分布狀態(tài)

1 混合泵的設計理論及其建模

1.1 混合泵總體設計思想

基于乳化泵的工作原理，完成混合泵的結構設計。

混合泵工作原理：在電動機高速運轉的帶動下，進入剪切泵的物料在轉子與定子的狹窄間隙間高速運動，在機械運動和離心力的作用下，進行劇烈的剪切、分散混合，承受高速剪切均勻混合、研磨破碎、攪拌乳化等，最終得到穩(wěn)定的高品質產(chǎn)品[7]。由于水和水泥粉料在混合之前分別盛放在不同的儲料箱內，只有在混合前的瞬間，粉末呈彌散狀導入水中，所以可有效達到粉與液混合、分散、均質等工藝要求。該設備的研制可以減少施工成本，節(jié)省勞動資源，達到最佳施工效果。

混合泵系統(tǒng)主要包括：混合泵、馬達機構、聯(lián)軸器機構、小帶輪裝置、料斗、整體支撐機構、內部裝置?；谌榛玫奶匦赃M行設計，結合具體工作要求，可計算出混合泵的相關結構尺寸。采用畫圖軟件SolidWorks對其進行繪制?；旌媳谜w結構固定在支撐機構上，混合泵上剛性連接著馬達。馬達通過聯(lián)軸器帶動轉子高速旋轉，中間有機封冷卻結構部分、確保其裝置在高速運轉下機封裝置的安全性。

1.2 主體結構建模

為了使水泥漿體能夠充分混合，綜合考慮使用兩組定子、轉子共8 層組成，定子和轉子對偶耦合，并且高度配合。定子、轉子間間隙值的大小是保證這一空間的速度場和剪切力場的關鍵因素[8]。在轉速一定的情況下，定轉子的間隙越小，剪切碰撞作用越大，物料更容易混合均勻。因此，從提高混合效果出發(fā)，定轉子間間隙應取較小值。從理論上認為，間隙越小混合越好，但間隙越小，是以減少流體流動量和增加能耗為代價的[9]?；旌媳玫闹饕康氖鞘顾嗯c水均勻混合而非精細乳化，所以定子和轉子間隙不必過小。若間隙過小，反而容易造成堵塞和加劇工件磨損現(xiàn)象，定轉子的間隙最好在2～4 mm 之間即可。這樣在滿足施工要求的同時，延長了各個零部件的使用壽命，從而減少施工成本。定轉子結構集合了以下幾類優(yōu)點：具有膠體磨所具有的強大的剪切力；獨特的封閉式定子孔使其具有均化器所具有失壓而膨脹和高速沖擊碰撞的雙重作用；中心處的入口和切線處的出口所配的標準法蘭讓它具有靜態(tài)混合器的管道化程度；同時定轉子的強大的相對線速度使其擁有了像攪拌器那樣能產(chǎn)生強烈湍流脈沖[10]。定轉子粉碎物料的示意圖如圖2所示。

圖2 粉料粉碎示意圖

圖3 混合泵結構

新型高剪切混合乳化泵的中心處為進料口，切線處為出料口，進口方向與軸線重合，轉向從驅動向泵頭端方向看為順時方向[11]。依據(jù)結構設計要求，得出混合泵的結構尺寸如下：進水口直徑D1=150 mm、進料口直徑D2=100 mm、出料口直徑D3=80 mm、總長度L=1 137 mm。

根據(jù)混合泵結構尺寸構建整體三維模型，混合泵的模型使用SolidWorks 軟件對混合泵的外部結構和不同尺寸的定、轉子進行建模?；旌媳玫年P鍵部件定、轉子結構為對稱形式。如圖3 所示，對混合泵各個部件進行實體建模。為了便于建立數(shù)學模型，對轉子模型作了一定的簡化，基本符合實際[12]。

定、轉子的結構和配合方式有多種不同的形式，本次設計的水泥凈漿混合泵有兩組不同齒寬的定子和轉子，定轉子間隙的大小是影響泵腔內液力場和速度場的關鍵。第一組定轉子采用粗齒完成撞擊、剪切，第二組定轉子采用細齒進行分散、混合。水泥和水經(jīng)過定轉子兩次的剪切擠壓將獲得高品質的水泥凈漿。轉子的轉速也是影響液力剪切和分散效果的關鍵。接下來的實驗仿真也是從定轉子間隙和轉子速度兩個方面開展，探究水泥凈漿均勻程度與兩者之間的關系。滿足實驗要求的同時減少能耗，使之達到理想狀態(tài)。目前，運用理論知識進行假設分析、討論，不斷地進行實驗檢測、結構改善，對導出數(shù)據(jù)進行判斷，最后研制出滿足要求的水泥凈漿混合泵。

2 流場的數(shù)值模擬

網(wǎng)格的劃分在流場流動的理論分析中是特別重要的一個環(huán)節(jié)，可以毫不夸張地說，這是直接決定CFD 計算結果的成功與否[13]。在Space Claim 軟件中對混合泵模型進行流體域提取，考慮到轉子的旋轉以及后期網(wǎng)格劃分，將流體域拆分為靜止域和旋轉域。通過Mesh對流場域進行網(wǎng)格劃分，并且設置膨脹層以接近真實情況。通過仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)問題。對設備進行改進升級，確保無誤后再對設備的關鍵零部件進行優(yōu)化，使得每個重要零部件的力學性能達到要求。在網(wǎng)格導入過程中，注意格式的選擇，防止出現(xiàn)文件不能導入的情況的發(fā)生。統(tǒng)計該模型節(jié)點共121 341 個、單元902 217 個，平均網(wǎng)格質量在0.7以上。網(wǎng)格的劃分越密集，計算結果越準確，但是計算也會相應變慢。比較好的方法是采用非一致的網(wǎng)格：對梯度變化較大和研究比較關心的區(qū)域采用細網(wǎng)格，而對梯度變化小的區(qū)域采用粗網(wǎng)格[14]。這樣可以大大減少網(wǎng)格數(shù)量并且提高計算精度。

流場域的網(wǎng)格劃分情況如圖4 所示?；诨旌媳玫淖陨砉ぷ魈匦?，其內部流體仿真選擇ANSYS Fluent 作為求解器。在穩(wěn)態(tài)求解中采用多重參考系法（MRF），內部旋轉區(qū)域采用旋轉參考系，外部靜止區(qū)域采用靜止參考系。湍流模型采用修正后的RNGk-?模型，其中C1=1.42，C2=1.68，Cmu=0.084 5。選擇歐拉模型方法作為多相流模型，水作為基礎項，水泥粉料作為第二項，采用隱式求解的方法求解。水的密度998 kg∕m3，流速2.7 m∕s；粉料的密度3 100 kg∕m3，流速1 m∕s；水泥凈漿黏度1 450 cP；水泥粉料∶水=0.5∶1（質量比）。

圖4 流場域網(wǎng)格示意圖

3 結果分析

3.1 不同間隙的結果分析

固液混合是指固體顆粒在液相中的分散并且在液相中均勻分布。其實質是顆粒在液相中逐漸分離散開，與液相均勻混合的過程。顆粒在液體中的分散過程主要為以下3 個階段：顆粒在液相中的潤濕；顆粒群的解體；穩(wěn)定顆粒的分散性，阻止顆粒再團聚[15]。為了使水泥粉料與水可以均勻混合，需要調整定轉子間隙在合理的范圍內。間隙過大容易使液力剪切力減小，不能將粉料與水很好地混合在一起；間隙過小容易造成水泥凈漿在齒間的堵塞和加劇磨損。實驗所用的硅酸鹽水泥粒徑平均在80μm 以下，因此定轉子間隙不需要過小，滿足實驗要求即可。下面對于定轉子間隙2～4 mm、轉子轉速均為1 000 r∕min，通過Fluent進行仿真分析。

通過圖5 所示的水泥粉料體積分布云圖可以看出，定轉子間隙為2 mm時，粉料經(jīng)過兩組定轉子的剪切擠壓后，粉料分散并不均勻，水泥凈漿中粉料的體積分數(shù)還不能趨于一致。旋轉域的中心位置粉料濃度較低，泵腔周圍濃度較高。流出口位置還出現(xiàn)混合不均勻的情況。觀察速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，流出口的后端和兩旋轉域之間的水泥粉料與水的混合較為劇烈。

圖5 定轉子間隙為2 mm時粉料體積分布云圖和速度矢量圖

通過圖6 所示的水泥粉料體積分布云圖可以看出，定轉子間隙為3 mm時，水泥粉料與水經(jīng)過兩次混合效果較好，粉料體積分數(shù)從混合到流出保持著很好的均勻分布狀態(tài)。分析上述速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，水泥凈漿在流動方面較好，沒有出現(xiàn)回流、堵塞、漩渦等現(xiàn)象。

圖6 定轉子間隙為3 mm粉料體積分布云圖和速度矢量圖

觀察圖7 所示的體積分數(shù)云圖和速度矢量圖，定轉子間隙為4 mm 時，經(jīng)過兩次混合后分布效果并不理想，流出口水泥粉料體積分數(shù)不能趨于一致。分析上述速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，水泥粉料與水在流出口的后端混合劇烈。

圖7 定轉子間隙為4 mm粉料體積分布云圖和速度矢量圖

通過分析不同定轉子間隙的體積云圖可以看出，在定轉子間隙為3 mm 時，混合均勻性明顯優(yōu)于其他兩組，經(jīng)過兩次的混合，在流出口水泥粉料與水已經(jīng)呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)?；旌闲Ч^好。通過速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，水泥粉料和水的混合在流出口最為劇烈。

3.2 不同轉速的結果分析

通過對不同定轉子間隙的仿真實驗發(fā)現(xiàn)，在定轉子間隙為3 mm、轉速為1 000 r∕min 時，水泥凈漿混合均勻，效果較好。以下實驗均在定轉子間隙為3 mm的情況下進行。為了探究轉子轉速對均勻性的影響，分別在轉子轉速為1 000、1 500、2 000 r∕min時進行實驗仿真并進行分析，實驗結果如圖8 所示。由圖可知，隨著轉速的提高，粉料體積分數(shù)波動越來越大，混合效果越來越差。發(fā)現(xiàn)轉速達到1 000 r∕min 時，粉 料體積分數(shù)波動較小并最終趨于一致，相較于其他兩組而言，混合均勻性要好。

通過圖9所示的速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，轉速達到2 000 r∕min時，水泥凈漿在出料口的最大流速達到3.924 m∕s，并且出現(xiàn)了回流的現(xiàn)象。

圖8 不同轉速下粉料體積分數(shù)分布

圖9 2 000 r∕min速度矢量圖

4 結束語

本文針對目前水泥凈漿攪拌設備混合不均勻問題進行改進，摒棄傳統(tǒng)的罐式攪拌，基于乳化泵工作原理設計完成水泥凈漿混合泵設備。實現(xiàn)了粉料與水分別存儲、即時即混、無需停滯，并且該設備完美解決罐式攪拌存在的水泥漿浪費問題。保障該產(chǎn)品在線混合后能達到漿料均勻、質量穩(wěn)定、無水泥團聚現(xiàn)象。通過對比不同速度矢量圖與粉料體積云圖可以發(fā)現(xiàn)，轉速到達2 000 r∕min 時，水泥凈漿出現(xiàn)回流現(xiàn)象。適當降低轉速避免回流現(xiàn)象的發(fā)生；在整個流體域內，水泥粉料與水的混合在流出口的后端最為劇烈；當定轉子間間隙為3 mm、轉速為1 000 r∕min 時，混合效果較好，水泥粉料在水中基本呈現(xiàn)均勻分布。通過對設計的混合泵進行仿真分析，獲得最佳組合的結構參數(shù)和工況參數(shù)，并且為后續(xù)水泥凈漿攪拌技術提供了重要理論依據(jù)。