基于Fluent的加氣混凝土攪拌機數值模擬分析

摘"要：以加氣混凝土攪拌機為原型，利用流體仿真軟件Fluent，采用歐拉多相流模型、Realizable k-ε湍流模型和滑移網格法相結合的方法，對攪拌機內3種不同類型的攪拌器分別進行瞬態計算，模擬研究攪拌機內3種不同類型攪拌器的流體流動特性和物料濃度變化，分析轉速對攪拌效果的影響。通過仿真結果比對可知，四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優，可為加氣混凝土攪拌機的設計提供參考。

關鍵詞：加氣混凝土攪拌機；流體仿真；瞬態

中圖分類號：TP391.9""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0162-04

Numerical Simulation Analysis of Aerated Concrete Mixer Based on Fluent

LAN Zhiqiao1， JIANG Huaitong2， ZHANG Meng2， WANG Jian1

（1. School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；

2. Jiangsu Tengyu Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Suqian 223812，China）

Abstract：Based on aerated concrete mixer as the prototype， the fluid simulation software Fluent and Eulerian multiphase flow model， Realizable k-ε turbulence model and slip grid method are applied to perform transient calculations for each of the three different types of mixers in the mixer， simulate and study the fluid flow characteristics and material concentration changes of the three different types of mixers in the mixer， and analyze the influence of rotational speed on the mixing effect. The comparison of the simulation results show that the mixing effect of the turbine-screw mixer with four inclined lobes opening is optimal， a reference for the design of aerated concrete mixer.

Keywords：aerated concrete mixer；fluid simulation；transient

0"引言

加氣混凝土攪拌機是生產加氣混凝土砌塊的主要設備，其將一定配比的砂、水泥、生石灰、石膏及鋁粉懸浮液體進行攪拌，使之均勻混合，充分反應并及時將混合料漿注入模框內［1］。

攪拌機內不同的攪拌器會影響加氣混凝土的性能以及生產效率。為了研究不同攪拌器攪拌效果，往往采用CFD軟件預先對攪拌器進行仿真模擬分析，從而減少前期產品的實驗開發成本［2］。

Fluent軟件［3］是目前采用有限體積法求解流體力學問題的主流CFD軟件。本文基于Fluent對螺旋攪拌器、四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器和四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器3種不同類型攪拌器進行流體仿真，從結果分析不同類型攪拌器的流場特性和不同轉速下的攪拌性能，為加氣混凝土澆注攪拌機的設計及優化提供參考。

1"攪拌機有限元模型的建立

1.1"幾何模型

為了使仿真效果更貼合實際，在建模時需要根據實際情況對加氣混凝土攪拌機進行簡化處理。簡化后的攪拌槽結構模型如圖1所示。攪拌槽直徑D=1 700mm，槽高H=2 000mm（圓柱筒體高度為H1=1 500mm），攪拌槽內壁安裝有4塊擋板，擋板寬度與罐徑比在1/12～1/10之間，故取W=150mm，擋板厚度T=6mm，攪拌器安裝高度H2=250mm（螺旋葉片底部到攪拌槽底部的距離）。螺桿式攪拌器（LG）與渦輪式攪拌器相距H3=760mm，螺旋葉片直徑d1=550mm，螺旋升角ψ=10°。根據化工行業標準［4-5］，對四斜葉圓盤式渦輪攪拌器（ZY）和四斜葉開啟渦輪式攪拌器（MK）進行建模，其幾何模型如圖2所示。渦輪攪拌器的直徑d2=450mm，葉片高度h=80mm。

1.2"網格劃分

在網格劃分前，需要將攪拌槽幾何模型的流體計算域抽取出，并將攪拌葉片附近的流體域劃分為動域。該動域是略大于攪拌葉輪的圓柱體并將攪拌葉輪包裹其中，其他區域劃分為靜域。將劃分好動靜區域的幾何模型導入Fluent Meshing［6］進行網格劃分。其中對攪拌器壁面網格和動區域網格進行局部加密處理，使仿真更加準確地反映流場性能。設置緩沖層數為3，使網格過渡更加順暢，提高近壁面流體的計算精度。在體網格生成方法中使用Ploy-Hexcore，能夠提升網格中六面體的數量，以達到提升求解精度的目的。網格劃分如圖3所示。

1.3"Fluent仿真設置

1）物理模型及求解器

在加氣混凝土攪拌機的實際工作過程中，需要將水、砂、水泥、生石灰、石膏及鋁粉懸浮液體等多種介質進行混合攪拌，而本文主要分析水、砂和水泥（質量比例約為150∶3∶7）的混合，故采用多相流模型中的歐拉模型（the eulerian model）［7］。該模型將各相視為相互滲透的連續體，每一相都有各自的連續方程和動量方程，通過壓力和相間模型耦合各相。在攪拌過程中會伴隨湍流的產生，故激活湍流模型并選用Realizable k-ε模型。該模型對于旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等流體有較好的計算精度。由于攪拌槽內料漿的流動狀態是隨時間變化，整個流場處于非定常流動模式，選用壓力基求解器并采用瞬態（transient）計算方式。

2）攪拌介質與邊界條件設定

攪拌介質中水為主相，密度為1000kg/m3；砂和水泥為次相，砂的密度為2500kg/m3，粒徑大小設為0.03mm；水泥的密度為3 000kg/m3，粒徑大小設為0.08mm。高速攪拌過程中砂和水泥會處于懸浮運動狀態，故水與砂和水泥的相間作用關系選用曳力模型（gidaspow）［8］。該模型可以很好地描述撞擊流中顆粒在撞擊區內流體與顆粒之間的動量傳遞關系。

由于使用了瞬態計算來進行仿真模擬，且攪拌槽內的流體屬于非定常流動，故使用滑移網格方法處理流體域內動域與靜域的關系。該方法在計算過程中使動域相對于靜域沿著網格分界面滑動，從而產生瞬態相互作用，但靜域內部網格保持不變。將動域流體的運動設置為繞攪拌軸線進行旋轉運動，靜域流體的運動狀態為靜止；為了確保滑移網格在計算中不出現負體積，靜域與動域的交界設置為interface。而后是對其他壁面的設置，其中攪拌軸表面為運動壁面（moving wall），速度大小設置與動域速度相同；攪拌葉片表面設置為運動壁面（moving wall）；流體在攪拌槽的頂部界面可以自由運動，故設置為對稱邊界（symmetry）；其他壁面均設置為靜止壁面。

3）求解初始化

使用phase coupled SIMPLE算法來進行壓力速度耦合的計算，并使用一階迎風格式（first order upwind）求解動量方程、體積分數、湍流動能（turbulent kinetic energy）和湍流耗散率（turbulent dissipation rate）；收斂殘差設為10-4。利用cell registers對流體域進行各相初始化區域的標記，并將標記好的區域利用Patch進行局部初始化。如圖4所示，上部區域是體積分數為1的水；中間層為水和水泥的混合區域，其中水泥的體積分數為0.45，水的體積分數為0.55；底部為水和砂的混合區域，其中砂的體積分數為0.56，水的體積分數為0.44。

2"仿真結果與討論

2.1"3種攪拌器在相同時刻的攪拌效果及分析

應用上文設置，通過瞬態計算得到螺桿式攪拌器、四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器和四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器在700r/min轉速條件下的仿真結果。下面分析3種不同類型攪拌器在10s時刻的攪拌情況。10s時刻攪拌槽中砂的體積分數分布如圖5所示，水的速度矢量如圖6所示。由圖5（a）可以看出，砂在螺桿攪拌器的作用下，未能均勻地分布在攪拌槽中；由圖5（b）可以看出，四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器攪拌10s后，砂已經均勻地分布在整個攪拌槽中；由圖5（c）可以發現，在四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器攪拌10s后，砂已經較為均勻地布滿整個攪拌槽，但上方還有部分由于形成渦流，水在這部分循環流動，使得砂難以向這部分擴散。

由圖6可知，在3種攪拌器的作用下水大體流向都是沿著攪拌軸向上流動，到了頂部后向攪拌槽壁面流動，最后沿著攪拌槽壁面不斷向下擴散，從而形成一個大的循環流。從圖6（a）可以發現在攪拌槽的左、右上角形成一個小的渦流。另外兩種攪拌器則沒有生成明顯的小渦流。

為了更加直觀地對3種攪拌器的攪拌效果進行比較，在攪拌槽內作一條采樣線段，對攪拌10s后砂在線段上的體積分數進行計算。該線段位于攪拌槽頂部向下500mm處垂直于攪拌軸的平面上，線段長1 500mm。計算后得到的砂在該線段上的體積分數分布曲線如圖7所示。由圖7中可以看到，在螺桿式攪拌器作用下，該線段上的體積分數曲線呈現雙峰形狀，說明砂在該雙峰位置處由于形成渦流而聚集在此處，使得此處的砂濃度偏高。而另外兩種在該線段上的砂濃度變化平穩，其中圓盤渦輪-螺桿式攪拌器的砂濃度分布在該線段上的一部分呈現斷崖式變化，說明在攪拌槽內部還有部分位置物料未充分的攪拌混合。

綜上所述可以得出：四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優；四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果次之；螺桿式攪拌器的攪拌效果最差，會在左、右上角形成渦流。

2.2"轉速對螺桿攪拌器攪拌效果的影響

攪拌器轉速是影響攪拌器攪拌效果的重要因素之一。下面研究螺桿式攪拌器在不同轉速下的攪拌效果。首先，分別對700r/min、800r/min、900r/min這3種轉速條件下的螺桿式攪拌器進行瞬態仿真計算，得出10s時刻不同轉速條件下攪拌槽中砂的體積分數分布圖，如圖8所示。從圖8中可以明顯看出在攪拌槽的左、右上角砂由于渦流而發生聚集現象。隨著轉速的提高，這種現象依舊存在。這說明攪拌轉速并不能使這一流場發生改變。從圖8（a）和圖8（b）的對比可以看出隨著轉速的提高，砂的濃度分布更加均勻。

為了更加直觀地分析攪拌轉速對攪拌效果的影響。同樣作一條與2.1內容相同的線段來進行砂體積分數的采樣對比，得到不同轉速下砂在該線段上的體積分數變化曲線，如圖9所示。從圖9中可以發現，轉速為700r/min時，砂的濃度變化幅度最大；當轉速提升至800r/min時，砂的濃度變化幅度縮小，更趨于平穩；但隨著轉速提升至900r/min，砂并沒有因為轉速的提高而使得濃度分布得到較大的改善。

3"實驗

根據上述設計研究對3種攪拌器進行樣機的試制，試驗樣機如圖10（a）所示。通過試制混凝土并測量其擴展度來進行驗證。試驗條件是水、砂和水泥以15∶3∶7的質量比在700r/min的攪拌器轉速下攪拌混合1min；然后在攪拌軸附近、攪拌槽壁面附近以及中間位置進行3次料漿采樣。將采樣好的料漿倒入放置于玻璃平板（其上繪制有同心圓）中心處的圓柱模具中（模具直徑50mm，高為100mm），裝滿后緩慢抬起模具，讓料漿自由流動擴散；最后，測量料漿擴散后所呈圓的直徑，即料漿的擴展度。料漿擴展度測量如圖10（b）所示，測量結果如表1所示。

通過實際生產經驗可知，攪拌獲得的混凝土擴展度在［220，240］mm內時才能進入下一道工序。由表1可以看出，通過四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器獲得的混凝土擴展度平均值最高，為226mm，表示物料混合充分，攪拌效果最佳并且符合生產所需要求。

4"結語

通過對選取的3種不同樣式的加氣混凝土攪拌器進行10s的瞬態數值模擬，對比分析了不同攪拌器對應的物料組分濃度場以及在不同轉速下螺旋攪拌器的組分濃度場變化，通過試驗得出以下結論。

1）在相同轉速下，四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優，四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果次之，雙層式的攪拌器可以改善螺桿攪拌器的渦流現象。

2）隨著螺桿攪拌器旋轉速度的提高，攪拌槽內的物料濃度分布更加均勻，物料混合更充分，攪拌效率得到提升，但提升的幅度會慢慢降低。

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收稿日期：20221107