基于正交試驗的新型混凝土噴嘴結構優化研究

楊 蒙，郭霽賢，張國強，曹文斌，朱彥鵬

(1.蘭州理工大學 土木工程學院，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 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730000)

引言

混凝土結構在土木建筑工程及公路建設中發揮著重要作用，在不良地段的快速立模施工中經常使用混凝土灌漿設備進行加固，混凝土噴嘴作為混凝土灌漿設備的主要結構部件，其結構設計與工藝參數選擇將直接影響噴射出的混凝土混合均勻度，進而影響混凝土灌漿施工的施工效率和加固效果。

傳統混凝土噴嘴的進風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斜向小孔，夾雜著速凝劑的高速氣流通過斜向小孔噴入噴嘴，將流過的混凝土打散、分離[1]。但是拌制好的成熟混凝土在噴嘴內輸運的物理狀態極為復雜，且易受混凝土自身性質等多種因素影響，使混凝土在與速凝劑混合時容易形成大小不均勻的黏性膠質團，導致噴嘴出口出料不穩定，產生流量脈動，嚴重時甚至造成堵管[2]?，F有噴嘴的優化設計多以濕噴機為應用背景開展相關研究，主要基于傳統結構，在泥漿管入射角、混合管與變徑管的長度及聚料管直徑等方面對噴嘴出口混凝土混合均勻度的影響進行分析[3]，并沒有針對混凝土噴嘴研究改變其結構對混合效果的影響。為此，本研究設計了一種自混合的混凝土噴嘴，噴嘴的使用方式與傳統噴嘴相同，但是該型噴嘴可以減少黏性膠質團的形成，降低出料脈動和堵管的可能性。通過使用正交試驗法，利用Fluent仿真軟件對不同結構參數的噴嘴進行數值模擬，以提高噴嘴出口成分混合均勻度為優化目標，得到新型噴嘴結構參數的最佳組合[4]。

1 噴嘴結構初步設計

1.1 傳統噴嘴結構

傳統混凝土噴嘴結構及內部結構如圖1、圖2所示，現有噴嘴的優化設計多以濕噴機為應用背景開展相關研究，主要以圓周設置進氣口為傳統混合結構，在泥漿管入射角、預混合管的長度、變徑管的長度、聚料管直徑等方面對噴嘴出口混凝土混合均勻程度進行分析。存在混凝土料流被沖擊集中于噴嘴中心，無法混合速凝劑，導致速凝劑直接排出，危害操作工人健康等問題[5]。

1.直管 2.引氣環 3.混合芯 4.卡環 5.前部聚斂段 6.聚料口圖1 傳統混凝土噴嘴結構圖

圖2 傳統混凝土噴嘴的內部結構

1.2 新型噴嘴結構設計

針對改善混凝土混合均勻度的問題，本研究提出了一種新型混凝土噴嘴結構，研究改變其混合結構參數對混凝土混合效果的影響。

新型噴嘴結構如圖3所示，在噴嘴的使用過程中，混凝土拌合料流通過連接頭7進入噴嘴中，而速凝劑與壓縮空氣經混合后通過進氣口進入混合器6；氣流通過設置在混合器6上的通孔單元進入混合腔；與混凝土拌合料進行混合；利用空氣與混凝土的推力將混凝土料流向前輸送，通過噴管1噴出。

1.噴管 2.混合柱 3.混合腔 4.墊片 5.內六角螺栓 6.混合器 7.連接頭圖3 新型噴嘴設計結構圖

通過設置橢圓柱混合器6，并在混合器上設置垂直于混合器中心軸線的通孔，在噴嘴內設置沿圓周方向錯位、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混合，混合物在流過混合柱2時，可以進行二次混合，減少黏性膠質體料團的形成，提高混合均勻度。圖4為新型噴嘴混合器結構剖視圖。

圖4 新型噴嘴混合器結構剖視圖

2 數值模擬

2.1 三維模型建立及網格劃分

圖5所示為新型噴嘴三維模型。將建立的三維模型導入Workbench中進行流體域模型抽取，再將流體域模型導入ICEM中進行流體域模型網格劃分。采用非結構網格劃分并簡化模型結構以減少計算量，全局網格尺寸為6 mm，部分結構加密網格最大為1 mm，噴管的管壁均設置5層初始厚度為1 mm，增長率為1.2，最大厚度為1.5 mm的邊界層，網格質量均在0.2以上。新型噴嘴流體域的網格模型如圖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格模型

2.2 基本假設

由于噴嘴內部的混凝土流動是一個極為復雜的多相流混合過程，為便于計算作如下假設[6-8]：

(1) 將噴嘴內流體視為定常流動；

(2) 忽略噴嘴內砂、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) 忽略混凝土中各項之間的化學反應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同性的液體。

2.3 邊界條件

采用mixture模型和k-ε模型中的標準模型，基于壓力求解器求解[9]?；炷亮黧w密度為2500 kg/m3，混凝土動力黏度為32 N·s/m2。根據混凝土噴嘴實際使用工況，混凝土料流流量約為5 m3/h，通過流場連續性等方程計算分析，得出噴嘴內粗/細骨料與水泥漿等組成的混凝土流體速度為0.2448 m/s，混凝土流體進口設置為速度入口；空氣和速凝劑混合物進口設置為壓力入口，表壓為0.1 MPa，空氣和速凝劑的體積比為95∶5；噴嘴出口設置為壓力出口，表壓為0；壓力速度耦合方案使用SIMPLE算法，計算進出口質量流量差為±0.01 kg/s。

3 正交試驗

通過分析，確定可能影響噴嘴混合效果的參數如下：

(1) 噴管的總體混合長度、設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) 混合柱的個數與夾角。

根據上述分析對混合器內部參數采用正交試驗法的方式進行優化設計。選擇有效長度、出口直徑、噴射角度與混合柱個數作為試驗研究的主要影響因素，每個因素取3水平，試驗方案及數值模擬結果如表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表征噴嘴中混合流體的均勻度：

表1 試驗方案及數值模擬結果

(1)

(2)

(3)

式中，H——出口均勻度,%

S——x的標準偏差

x——噴嘴出口端面空氣體積分數

xi——噴嘴出口端面空氣體積分數均值

由表1所得數值計算結果可知，試驗8的混合均勻度最高，為70.26%。表2為對正交試驗數值模擬結果進行的極差分析，其中R值為極差值，表示該因素對數值計算結果的影響程度，極差值R越大，則該因素對試驗結果的影響越顯著；x1,x2,x3為水平1,2,3的均值[11-12]。

表2 數值模擬結果極差分析

由表2可知，4個因素對混合均勻度影響的主次順序為A>B>C>D，即噴嘴有效長度對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混凝土混合均勻度的影響程度基本持平，混合柱個數對混凝土混合均勻度的影響較弱。

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

圖7 不同因素與水平對混凝土混合均勻度的影響趨勢

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

4 優化前后數值模擬結果對比

傳統噴嘴模型出口均勻度為60.57%，新型噴嘴優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噴嘴，新型噴嘴的混合效果更好。主要原因為：

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

(2) 噴管內設置了沿圓周方向錯位、間隔均勻分布的混合柱，可以進一步的對速凝劑與混凝土的攪拌，減少黏性膠質團的形成，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。傳統噴嘴出口端面空氣與混凝土體積分數云圖呈環形分布，由于傳統噴嘴進氣口沿管壁圓周分布設置，因此導致高速氣流沖擊混凝土，使混凝土主要集中在流場中心部位，而壓縮空氣分布在圓周外圍，靠近圓心處的混凝土無法與壓縮空氣相互接觸，容易形成黏性膠質團，導致噴嘴出口出料脈動，嚴重時引發噴嘴堵塞；新型噴嘴出口端面混凝土部分集中在管壁兩側，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部，且由于存在混合柱，減少了混凝土黏性膠質團的形成，降低流量脈動。

圖8 空氣相體積分數云圖

圖9 混凝土相體積分數云圖

5 結論

本研究以提高噴嘴出口混凝土中速凝劑均勻度為優化目標，完成了新型噴嘴結構的設計及優化設計，并基于正交試驗，利用Fluent仿真軟件對不同結構參數的噴嘴模型進行數值分析計算，得出以下結論：

(1) 噴嘴各結構參數對混凝土料流與速凝劑混合均勻度影響主次順序為：有效長度、出口直徑、噴射角度、混合柱個數;

(2) 仿真計算優化后的新型噴嘴最佳結構參數組合為：噴嘴有效長度475 mm，出口直徑75 mm，噴射角度50°，混合柱均布設置6個;

(3) 新型噴嘴經結構優化后出口均勻度提高了9.69 %，達到了提高速凝劑、壓縮空氣與混凝土混合效果的目的，并驗證了新型噴嘴結構設計的合理性。