混凝土泵分配閥流場數值仿真研究

趙青，劉會勇

(1.貴州大學土木建筑工程學院，貴州貴陽550003;2.清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京100084;3.貴州大學機械工程與自動化學院，貴州貴陽550003)

混凝土泵是通過管道依靠壓力輸送混凝土的施工設備，它能夠一次連續地完成水平輸送和垂直輸送，在國內外已得到了廣泛的應用［1］。混凝土泵分配閥作為混凝土泵的“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，研究泵送施工作業時的混凝土泵分配閥內部流場分布情況十分必要。

計算流體動力學 (CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所作的分析，廣泛應用于水利、航運、流體機械等各種技術科學領域［2－4］。SolidWorks作為 Windows平臺下的機械設計軟件，完全融入了Windows軟件使用方便和操作簡單的特點，而且具有強大的基于特征的實體建模功能，也已經得到廣泛的應用［5］。

在SolidWorks中建立了混凝土泵分配閥模型，在GAMBIT中劃分網格并指定邊界條件，并在Fluent中進行求解計算，研究混凝土泵分配閥的流場。

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，一端與輸送管相連，另一端在擺動液壓系統的驅動下左右擺動，交替連通混凝土缸和輸送管道，將料斗中的混凝土連續不斷地輸送到澆注點。

S形管閥有變徑和不變徑兩種形式，其中不變徑S形管閥在工作時閥體所受的沖擊小、阻力小、磨損小，混凝土在其中流動順暢且加工容易。目前大多數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相，使用基于網格的時間平均方法來得到連續相流場，離散相通過計算流場中大量粒子的運動得到，離散相和流體相之間存在質量、動量和能量的交換。歐拉－歐拉法中將不同的相處理成互相貫穿的連續介質，把顆粒視作為擬流體，即連續流體模型［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體，并且適用于分散相只集中于區域的一部分。混合模型可用于兩相流或多相流 (流體或顆粒)，并且顆粒的分散有著寬廣的分布［2］。泵送混凝土是通過將水、水泥和粗細集料進行充分攪拌及混合而成，粗細集料分布均勻。因此，文中的計算選用混合模型。

混合模型的連續方程［9］:

式中:vm為質量平均速度，

αk為第k相的體積分數;

ρm為混合密度，

混合模型的動量方程［9］:

式中:n為相數;

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。混合模型的能量方程［9］:

式中:keff為有效熱傳導率。

第二相的體積分數方程［9］:

從第二相p的連續方程，可以得到第二相p的體積分數方程為:

3 混凝土泵分配閥流場數值仿真

泵送混凝土時，分配閥在擺動液壓系統的驅動下左右擺動，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，兩個混凝土缸中心距為240 mm。結合圖2和圖3可以看出，分配閥在連接混凝土缸時需要擺動的角度分別為相對于豎直方向左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系

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

圖4 劃分網格后的S形管閥模型

啟動Fluent，導入S形管閥模型的網格文件，檢查網格并設置單位之后，需要對解法、進口速度、多相流模型等相關計算參數進行設置，這些計算參數的設置如表1所示。

表1 計算參數設置

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

表2 混凝土兩相流體材料屬性

經過Fluent求解計算，混凝土分配閥流場數值仿真結果如圖5所示。

圖5 混凝土分配閥壓力分布流場

仿真結果分析:

圖5中，(a)、(b)、(c)分別為分配閥擺動角度相對于豎直方向左30°時壓力分布流場的后視圖、前視圖和左視圖，(d)、(e)、(f)分別為分配閥擺動角度相對于豎直方向右30°時壓力分布流場的前視圖、后視圖和左視圖。結合各圖可看出:泵送混凝土時，分配閥內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到最大，而在連接輸送管道一端的底部達到最小;當分配閥的擺動角度相對于豎直方向左30°時，分配閥內壓力在連接混凝土缸一端的左外端面最大;當分配閥的擺動角度相對于豎直方向右30°時，分配閥內壓力在連接混凝土缸一端的右外端面最大。因此，泵送混凝土時，分配閥連接混凝土缸一端的左右外端面承受的壓力最大，造成的磨損最嚴重。

4 結束語

根據混凝土泵分配閥的作用和結構特點，采用SolidWorks建立了混凝土泵分配閥模型，在GAMBIT中劃分網格并指定了邊界條件，并在Fluent中進行求解計算，研究了混凝土泵分配閥的內部流場。

仿真結果表明:(1)分配閥內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，說明泵送壓力將隨著距離的增大而減小;(2)泵送混凝土時，分配閥連接混凝土缸一端的左右外端面承受的壓力最大，造成的磨損最嚴重。

因此，在設計混凝土泵分配閥時，應著重考慮在泵送混凝土時，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部足夠光滑，以降低混凝土對分配閥的磨損。

【1】張國忠．現代混凝土泵車及施工應用技術［M］．北京:中國建材工業出版社，2004．

【2】張凱，王瑞金，王剛．Fluent技術基礎及應用實例［M］．2版．北京:清華大學出版社，2010．

【3】韓占忠，王敬，蘭小平．FLUENT:流體工程仿真計算機實例與應用［M］．北京:北京理工大學出版社，2004．

【4】王福軍．計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用［M］．北京:清華大學出版社，2004．

【5】魏崢，王一惠，宋曉明．SOLIDWORKS2008基礎教程與上機指導［M］．北京:清華大學出版社，2010．

【6】趙志縉．泵送混凝土［M］．北京:中國建材工業出版社，1985．

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

【8】陳宜通，田利芳．混凝土泵S型管閥程序設計［J］．西安建筑科技大學學報:自然科學版，2005，37(1):144－145，148．

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