基于DEM的攪拌車罐體模擬仿真

鄭招強

ZHENG Zhao-qiang

青特集團有限公司 山東青島266109

基于DEM的攪拌車罐體模擬仿真

鄭招強

ZHENG Zhao-qiang

青特集團有限公司 山東青島266109

基于離散單元法模擬了混凝土在攪拌筒內(nèi)的運動，指出物料在罐體內(nèi)的總體運動及分布狀態(tài)。分析了罐體的攪拌性能，指出現(xiàn)有罐體的不足之處，提出了罐體改進的方向。

混凝土攪拌車 離散單元法 罐體

1 前言

混凝土攪拌運輸車作為現(xiàn)代工程建設中必備的運輸設備被廣泛應用，該車可以在運輸過程中通過罐體的攪動防止預拌混凝土發(fā)生離析和初凝。因此，罐體的攪拌性能是混凝土攪拌運輸車的一項重要指標。通過對罐體攪拌機理的研究，可以更好地優(yōu)化罐體性能。

對于混凝土攪拌運輸車的攪拌機理研究，目前多采用理論方法[1]和CFD（計算流體力學）模擬的方法。采用理論的方法運用了理論力學的基本理論，通過建立動力學理論模型，對攪拌筒攪拌過程進行動力分析，并建立了相應的動力學方程，但此方法不能直觀地看到攪拌筒的內(nèi)部攪拌狀況。隨著技術的不斷進步，CFD 模擬的方法逐漸被應用于攪拌車攪拌機理的研究。采用CFD 方法模擬罐體內(nèi)部流動時，通常將罐體和葉片作為旋轉壁，混凝土部分作為計算域。通過CFD 方法模擬得到罐體在攪拌工況下的速度云圖和流線圖分別如圖1、2所示。從圖中可以看出，葉片附近流體的運動方向是沿葉片往罐口方向流動，葉片頂部的流體往罐體封頭方向翻滾，罐體軸線附近的流體向罐體封頭方向流動，這與實際的攪拌工況并不相符。攪拌工況的實際狀況為葉片附近的凝土在葉片的推動下，向罐體封頭的方向運動；葉片頂部以上的混凝土向罐口方向平流。由于上述兩種方法在研究罐體攪拌性能時都有一定的局限性，本文擬采用DEM 模擬混凝土在攪拌筒內(nèi)的運動。

圖1 速度云圖

圖2 流線圖

2 離散單元法簡介及模型描述

離散單元法（Distinct Element Method ，簡稱DEM）由美國學者Cundall首次提出，是基于分子運動學原理的一種顆粒離散物料分析方法，它的理論基礎是牛頓第二定律。目前，EDM在礦物、制藥、原材料處理等行業(yè)都有很好的應用。混凝土可看作是由水泥、砂石骨料和水組成的離散顆粒群[2]。本文采用EDM對混凝土攪拌運輸車的罐體攪拌機理進行研究。為節(jié)省計算資源，對模型進行了如下簡化：

a. 對罐體進行了1:5的縮小；

b. 混凝土簡化為直徑5 mm和10 mm兩種顆粒，數(shù)量均為3 500個，物料密度為2 400 kg/m3，泊松比為0.3；

c. 罐體轉速為5 rad/min，攪拌時間為100 s。

3 仿真結果分析

3.1 物料總體運動趨勢

對于攪拌工況，罐體軸線方向上，在罐體開始轉動的前幾秒，物料往封頭方向運動明顯（如圖3），一段時間后，物料總體處于運動平衡狀態(tài)。在運動平衡狀態(tài)時，在葉片的推動作用下，物料有整體往封頭側運動的趨勢，并在封頭處形成堆積。罐口處物料沿罐體軸線方向往封頭側的運動較為明顯；越靠近封頭處，沿罐體軸線方向往封頭側的運動越不明顯；由于封頭的阻擋作用，在封頭附近，物料幾乎只有沿罐體圓周方向的運動（如圖4）。在罐口側的物料由于葉片的推動作用逐步堆積，當物料堆積到高于葉片的高度時，由于沒有了葉片的阻擋，會向葉片的后方跌落，跌落的物料隨即隨葉片往封頭側運動，從而形成攪拌的循環(huán)。在罐體圓周方向上，由于物料的粘滯性，貼近罐壁的物料，在罐壁和葉片的帶動下沿罐體旋轉方向運動，到達一定高度后，在重力作用下向罐體另一側滾落。這樣，在攪拌工況時，在罐體軸向和罐體圓周方向運動的共同作用下，罐內(nèi)物料呈現(xiàn)封頭處高罐口處低，在圓周方向一側高一側低的分布狀態(tài)（如圖5）。

圖3 攪拌初期運動矢量圖

3.2 攪拌性能分析

罐體的攪拌性能體現(xiàn)在物料上就是物料的勻質(zhì)性。由于罐體的旋轉使各物料顆粒的運動方向和速度均不相同，相互之間產(chǎn)生剪切滑移以致相互穿插、擴散，從而使物料均勻混合[3]。

圖4 攪拌穩(wěn)定狀態(tài)運動矢量圖

圖5 物料分布狀態(tài)圖

為直觀地觀察不同部位物料的運動情況，在罐體軸線方向上，從罐口端至封頭端，依次選取不同部位的物料，并分別用不同顏色標示，如圖6所示。經(jīng)過一段時間的攪拌，從圖7可以看出，靠近罐口側的物料在罐體軸線方向上的循環(huán)路徑大于靠近封頭側的物料循環(huán)路徑，并且罐口側的物料穿插運動明顯強于封頭側物料的穿插運動。在圓周方向上，罐口側物料的穿插運動也明顯強于封頭側物料的穿插運動（如圖8、9）。因此，對整個罐體的攪拌性能而言，罐口側的攪拌性能強于封頭側；同時也可看出，整體物料的運動在罐體內(nèi)軸線方向呈層狀分布，某區(qū)域內(nèi)的物料只能在一定的范圍內(nèi)運動循環(huán)，不能形成一個大而完整的循環(huán)。因此，應該在罐體內(nèi)部特別是在靠近封頭處采取一定的措施，如增加輔助葉片、增設導流孔等，增強物料往罐口側的流動性，以提高罐內(nèi)物料的勻質(zhì)性。

圖6 罐體不同位置物料圖

圖7 罐體不同位物料軸向運動軌跡圖

圖8 罐口側物料圓周方向運動軌跡

圖9 封頭側物料圓周方向運動軌跡

4 結語

采用DEM模擬混凝土在攪拌筒內(nèi)的運動，是一種動態(tài)的仿真，可以直觀地了解罐內(nèi)物料在一段時間內(nèi)的運動狀態(tài)，以及物料各組分的分布狀況，更好地揭示攪拌車罐體的攪拌機理。根據(jù)仿真結果，對罐體攪拌性能進行了分析，指出現(xiàn)有罐體僅依靠兩條螺旋葉片不能較好地保證罐內(nèi)物料的勻質(zhì)性，應該在罐體內(nèi)部，特別是在靠近封頭處采取一定的輔助措施，增強罐體的攪拌性能，以提高罐內(nèi)物料的勻質(zhì)性。

[1] 江繼輝.混凝土攪拌輸送車攪拌過程的運動分析[J].工程機械,1991(2):28-30.

[2]吳超,吳努,胡志超.基于DEM的螺旋輸送機模擬仿真[J].中國農(nóng)機化學報,2015.36(2):92-94,115.

[3]王振鵬,丁渭渭,李耀等.基于EDEM的螺旋帶式攪拌裝置在雙立軸攪拌機上的應用[J].山東交通學院報,2014.22(4):72-76.

Simulation of Concrete Mixer Based on DEM

The concrete movement within the mixer based on the Distinct Element Method was simulated in this paper, and the overall movement and distribution of the material inside the mixer was figured out. Through the analysis of the mixing performance of mixer, the existing deficiency of the mixer was pointed out , and the improvement direction of the mixer was put forward.

concrete mixer truck; DEM; tanker

U469.6+5.02

A

1004-0226(2017)05-0097-03

鄭招強，男，1980年生，工程師,從事專用汽車設計工作。

2017-03-07