混凝土輸送管沖蝕磨損數值模擬

王 文 李光輝 章志悅 譚仕鋒 劉宏平

南華大學土木工程學院

0 引言

混凝土泵車在民用、公用大型建筑、橋梁、地鐵以及大型水利工程的施工建設中均被廣泛使用,現已成為建筑工程中不可或缺的機械。在實際工程中，混凝土泵車存在輸送管道磨損的問題，輸送管彎頭（如圖1）作為混凝土輸送管道中的一個重要部件，為管道的空間布局提供了巨大的便利，然而長時間地泵送混凝土，彎頭處相較輸送到其它地方，更容易受到混凝土中粗骨料的侵蝕。在泵送混凝土過程中，輸送管道會形成不同的夾角，因此，對不同彎折情況的輸送管道磨損部位進行預測，從而采取措施以延長泵送管道的使用壽命，具有重要的工程意義。

近年來，相關學者對泵送管道的磨損作了較多研究。梁爽等人［1］利用Fluent中的DPM沖蝕模型，對混凝土泵送管的沖蝕磨損部位進行模擬預測，發現彎管出口處的顆粒堆積率最大，且沖蝕磨損最嚴重的部位主要集中在彎管外側80°～90°之間，與實際磨損情況基本一致。孫語晨等人［2］采用EDEM-Fluent 與DEM-FEA-NCODE 耦合仿真對混凝土顆粒對泵送管道的沖蝕磨損部位進行模擬預測，發現管道的沖蝕磨損主要是粗骨料導致的，磨損嚴重部位為直管進入彎管的外凸處。魏子易等人［3］利用CFD 對混凝土泵送過程中的壓力損失進行模擬預測，發現混凝土黏度是造成壓力損失的主要因素，黏度越大，阻力就越大，屈服壓力越大，使泵管剪切層厚度減小，故壓力損失與黏度成正比，與屈服壓力成反比，模擬結果與實際吻合良好。陳曉棟［4］等人利用CFD-DEM耦合的方法對曲率半徑、粗骨料含量、粗骨料形狀、粗骨料尺寸等因素對混凝土泵送管的磨損程度進行模擬分析，發現曲率半徑越小、粗骨料含量越大、粗骨料的球形度越低、粗骨料尺寸越大對管道壁面的磨損程度就越大，并對管壁的影響因素大小進行了排序，即粗骨料尺寸＞粗骨料含量＞粗骨料形狀＞彎管曲率半徑。針對混凝土引起的管道磨損研究，大部分學者的模型均采用一個彎管，而未對多個彎管連接形式進行模擬，為模擬實際多個彎管的磨損情況，本文利用Fluent 對泵送管在泵送過程中的彎管部分建立三維模型進行管道磨損模擬分析。圖1 為泵送車模型示意圖。

1 物理及數學模型

1.1 物理模型

圖2（a）為混凝土輸送管的物理模型尺寸圖，物理模型由La、Lb兩個L 形管道組成。管道的直徑D=125 mm，兩個直管段長均為1 m；彎管段由兩個四分之一彎管構成，曲率半徑R=0.5 m。針對混凝土在泵送過程中不同的管道彎折情況，本文選取了3種常見管道形式如圖2（b），其中Lb相較于La分別彎折0°、45°、90°連接。管道內的流動介質為水泥砂漿，密度設置為1 450 kg/m3；有研究［5］表明粒徑大的顆粒具有更高的沖擊能，即粗骨料粒徑越大，對管道的損傷越大，故在模擬中，對粗骨料顆粒級進行簡化，只采用一種粒徑來對磨損部位進行模擬預測，粗骨料粒徑設置為25 mm，密度為2 630 kg/m3。

圖2 混凝土輸送彎管模型圖

1.2 數學模型

在模擬過程中，開啟標準k-ε湍流模型與DPM離散相模型，具體形式如下：

標準k-ε湍流模型：

DPM離散相模型：

2 網格劃分及邊界條件

利用ICEM 軟件對管道模型采用O 型剖分的方式進行結構化網格劃分，模型整體網格質量在0.8 以上,以保證模擬準確，以速度入口和壓力出口為流動邊界條件。水泥砂漿入口速度為2 m/s,出口壓力為0，粗骨料質量流量為3 kg/s。結構化網格示意圖見圖3。

圖3 結構化網格示意圖

3 模擬結果分析

沖蝕磨損是一個較為復雜的過程，其中流體速度、黏度，顆粒直徑、形狀、質量流量，管道直徑、曲率半徑等都會對沖蝕磨損產生影響。本文僅研究S型管在泵送混凝土過程中的不同彎折角度對管道沖蝕磨損的影響，因此，在保證顆粒參數、流體參數和管道參數一定的情況下，僅將S 型管的彎折角度作為變量進行研究。本章建立了泵送彎管預測模型，對模型進行了驗證，并且通過沖蝕率來分析不同彎折程度對S型管的管道磨損程度和磨損位置的影響。

圖4（a）是混凝土在管道中的壓力分布云圖，其中進口處壓力為3.7e5 Pa，以紅色標識，出口處壓力值為0，以藍色標識，泵壓沿管道呈線性分布，與試驗［6］發現的泵壓在管道中的變化呈線性關系相同，證明了本模型泵壓分布的正確性。圖4（b）為管道橫截面上的混凝土速度分布云圖，速度值由截面中心向外逐漸降低，到達管壁處為0，符合混凝土在管道中的速度分布規律［3］，進一步驗證了模型的準確性，因此，本模型可用來預測S 型管的沖蝕磨損情況。

圖4

圖5和圖6的模擬結果表示，0°彎折管的顆粒堆積位置與沖蝕位置基本相同，磨損位置主要分布在La與Lb連接處的彎管外側面附近，磨損最大值為7.65e-11kg·s-1·m-2。

圖5 0°彎折管道磨損云圖

圖6 0°彎折管道堆積云圖

圖7、圖8的模擬結果表示，45°彎折管的顆粒堆積位置與沖蝕位置基本相同，磨損位置主要分布在La與Lb連接處和Lb的外側面，磨損最大值為8.01e-11kg·s-1·m-2。

圖7 45°彎折管道磨損云圖

圖8 45°彎折管道堆積云圖

圖9、圖10 的模擬結果表示, 90°彎折管道的顆粒堆積位置與沖蝕位置基本相同，磨損位置主要分布在Lb外側面，磨損最大值為9.57e-11kg·s-1·m-2。

圖9 90°彎折管道磨損云圖

圖10 90°彎折管道堆積云圖

由上述對比發現，隨著S型管彎折角度的增大，粗骨料對管道的磨損程度也逐漸增大，加劇了管道磨損，減少了管道使用壽命，并且主要磨損位置也發生了改變，由La、Lb連接處外側面逐漸向Lb外側面移動。產生此狀況的原因可能是流體攜帶粗骨料向前運動，在La彎管處，粗骨料由于慣性作用，與管壁碰撞并堆積在La彎管管壁外側繼續運動，隨后在Lb彎管處，由于粗骨料在此處的流入并非是均勻分布的，隨著彎折角度的增大，其運動軌跡改變愈加劇烈，對出口段彎管管壁的磨損愈加劇烈，且三種彎折角度下的S型彎管的管道磨損云圖與顆粒堆積云圖位置變化基本一致，驗證了上述猜想。

4 結論

對混凝土泵送管的三種不同彎折狀態進行仿真模擬，分析三種狀態下的最大沖蝕率和沖蝕位置的變化，發現隨著彎折角度的增加，混凝土中粗骨料對管壁的堆積面積逐漸變小，對管壁的最大沖蝕率逐漸增大，同時沖蝕位置也發生了改變，0°彎管的磨損主要集中在La、Lb連接處外側面，45°彎管的磨損主要集中在La、Lb連接處及Lb外側面，90°彎管的磨損主要集中在Lb外側面。