凈漿攪拌裝置帶孔葉片對水泥絮團影響的仿真研究

沈俊杰， 付 石， 王彩濤

（長安大學，陜西 西安 710064）

0 前言

預拌水泥凈漿是二次攪拌工藝的一種， 研究表明預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，因而對水泥凈漿的研究具有現實意義。 凈漿攪拌時拌合物經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，會有水泥絮團現象的發生，導致微觀層面的不均勻性發生，這就需要我們進一步對微觀層面上的水泥顆粒團聚現象進行研究。 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對水泥絮團現象的發生有很大影響，有攪拌裝置轉速、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構的影響，GARRECHT 等提及到葉片穿孔在攪拌區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-歐拉模型基礎上加載PBM 群體平衡模型來表達多相流離散相隨著傳遞發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，槽內裝有一個四葉片攪拌裝置，如圖1 所示。

圖1 攪拌設備結構

槽體劃分為攪拌裝置所在流體域和靜止域兩部分，劃分網格數量為260 528。

2.2 邊界條件參數設置

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。 采用滑移網格法（SMM）模擬攪拌裝置葉片旋轉，轉速設置為500 r/min，時間步長設置為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云圖，通過水泥體積分數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域較小部分水泥體積分數比帶孔葉片略小，但整體上帶孔葉片水泥體積分數要大于通孔葉片， 這在一定程度上說明葉片帶孔的結構比無通孔葉片結構要好。

圖3 水泥體積分數分布情況

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備內水泥顆粒的團聚現象，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構，不利于凈漿的攪拌。

圖4 水泥絮團粒徑分布

4 結論

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備內水泥和水兩相進行三維仿真模擬，通過模擬試驗對比研究，得到以下結論：

1） 基于傳統歐拉-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象，將微觀結構的演變與宏觀特性聯系起來。

2） 通過對比仿真研究， 能夠發現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構。