散装水泥运输罐车刹车过程物料流动特性研究

朱学平 陈静 胡亚贞

中航工业安徽开乐专用车辆股份有限公司 安徽阜阳 236000

1 引言

散装水泥运输半挂车使用方便、运输效率高、成本低，是实现中短途散装水泥运输的较好工具。为实现整车质心低、行驶安全、经济效益高的特点，国内散装水泥运输半挂车多采用V型卧FLUENT计算流体动力学软件，本文对散装水泥运输罐车在刹车过程罐内水泥的流动特性进行了数值模拟和式罐的结构[1]。近年来，随着计算机运算速度的提高，针对散装物料运输车物料流动特性的数值模拟技术得到了迅速发展[2-4]。为探索散装水泥运输半挂车在刹车过程中罐内水泥的流动特性，基于研究。

2 双流体模型及控制方程

欧拉双流体模型的基本假设[5]：把颗粒和气体都看成是连续介质；认为空间各点都有这两种流体各自不同的速度、密度分布，共同占据同一空间而互相渗透；颗粒和气体存在不同的体积份额（或出现的概率），相互间存在着滑移。根据质量守恒和动量守恒定律，建立连续方程和动量方程[6]：

连续性方程：

式中，α、ρ、v分别表示体积分数、密度和瞬时速度，S为质量源项。

式中， g为重力加速度，β为相间交换系数，p为压强，τ为应力张量，u为平均速度。

气固相之间曳力关系采用Syamlal-O'Brien曳力定律，其控制方程为：

式中，vs,r为固相终端速度，CD，Res分别表示曳力系数，相对雷诺数，计算公式如下：

3 物理模型及计算结果

3.1 物理模型及边界条件

散装水泥运输半挂车罐体为V型结构，如图1所示。罐体由封头、直角斜锥筒体、气室结构组成，涉及到的物理模型计算参数如表1所示。理论设计状态下，牵引车载荷：

计算得K1=40.81%，适用于6×4型牵引车，此类车型具有转弯半径小、承载量大等优点。

表1 物理模型参数表

由于散装水泥运输半挂车罐体左右两侧为对称结构，可简化二维纵向截面作为散装水泥运输半挂车在刹车过程中做减速运动数值模拟的计算区域，如图2所示。操作条件：罐内压力为0.1 MPa，温度为30℃，初始罐内水泥高度为2.57 m，初始固含率为0.467 7。制动过程的工况参数如表2所示，假设在刹车过程中，散装水泥运输半挂车做匀减速运动，数值模拟所涉及到的气-固物性参数如表3所示。

表2 制动过程工况参数

表3 气-固物性参数

对上述模型计算区域使用ICEM划分不大于5 mm×5 mm的结构化网格，网格结点数为904 406，应用计算流体动力学软件FLUENT，结合边界条件，对控制方程进行非稳态数值求解，计算时间步长为0.001 s，计算模拟刹车过程时间为2.4 s。

3.2 计算结果

图2为常规散装水泥半挂车在加速度a=－6.9 m/s工况下，刹2车过程罐内水泥瞬时颗粒体积分数的动态示意图。从图2可以看出，在初始状态（t=0）时，罐内下层为水泥固体颗粒，占罐体总体积分数的80%，上层为空气。刹车初始阶段，罐体由于受到向前的加速度影响，罐内水泥开始向前运动，前端水泥不断升高，尾部水泥不断降低。随着刹车时间的持续，罐体前部水泥不断增加，直至漫过罐顶；罐体后部水泥不断减少，并出现“空腔”现象，同时罐体底部局部出现水泥堆积现象。当罐内水泥向前运动出现最大化后，后部水泥又不断向后回落。在t=2.4 s刹车结束时刻，牵引车载荷占水泥总质量的55.33%，明显高于设计载荷，散装水泥半挂车会出现挂车前轮磨损严重、牵引车爆胎等现象。同时，由于水泥物料的静止安息角为40～45°[7]，刹车后物料不能恢复到平稳状态，罐内前侧物料多，后侧物料少；由于前后侧进气室同时进气，会出现后侧粉粒物料先卸完，前侧粉粒物料后卸完，即前后部分粉粒物料卸料不同步，从而影响卸料总时间。

3.3 罐体结构改进后计算结果

图3为罐体结构改进后的散装水泥半挂车，在加速度α=-6.9 m/s2工况下的刹车过程中，罐内水泥瞬时颗粒体积分数的动态示意图。从图3可以看出，改进后在罐体相应位置增设了阻流板。刹车时，水泥物料向前运动，在阻流板前侧形成一个“空腔”，随着刹车过程的继续，空腔的气体从阻流板下侧向后溢出，前侧溢出气泡小于后侧阻流板溢出气泡，气泡的向后运动和水泥物料的向前运动构成了罐内气体-水泥物料两相在刹车过程中的紊流流场。在t=2.4 s刹车结束时刻，牵引车载荷占水泥总质量的47.06%，低于罐体结构改进前的牵引车载荷。

3.4 刹车过程牵引车载荷的变化

图4为刹车过程0～2.4 s牵引车载荷变化的曲线图。其中红色圆点 曲线为常规散装水泥运输半挂车刹车过程中牵引车载荷的变化曲线，刹车时，主车载荷不断增大，后趋于平稳，并略有下降趋势，在t=2.0 s时，主车载荷达到最大值，占水泥总质量的56.37%；绿色方点 曲线为在散装水泥运输半挂车罐内增设阻流板后，刹车过程牵引车载荷的变化曲线。刹车时，主车载荷不断增大，最后趋于平稳，其载荷变化幅度远小于原始模型牵引车载荷，在t=1.8 s时主车载荷达到最大值，占水泥质量的47.27%。可以看出，改进后模型在罐内增设阻流板能明显降低散装水泥运输半挂车在刹车过程主车载荷的变化。

4 结语

散装水泥运输半挂车在刹车过程中，罐内水泥向前运动，牵引车载荷高于设计载荷，会引起挂车前轮出现磨损及牵引车爆胎现象，同时由于水泥的物料安息角为40°～45°，刹车后物料无法恢复到平稳状态，会引起罐内前后部分卸料不同步问题，从而会降低卸料速度。对此提出了通过在罐体内部增设阻流板的改进措施，可有效降低散装水泥半挂车在刹车过程主车载荷的变化。

[1] 徐达,蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京理工大学出版社,1998.

[2] 裴未迟,韩炬,李耀刚.散装水泥运输罐车流化床改进方案的研究及仿真[J].中国粉体技术,2011(04):5-7.

[3] 纪宏超,李耀刚,王玉彬.基于FLUENT二次开发的散装水泥运输车卸料过程数值模拟[J].中国粉体技术,2012(05):45-49.

[4] 朱学平.散装面粉运输车流化床流动特性的数值模拟[J].专用汽车,2013(07):84-86.

[5] 杨太阳,王安仁,张锁江等.气固鼓泡流化床的流动特性数值模拟[J].计算机与应用化学,2005(03):206-210.

[6] 王伟文,董海红,陈光辉等.气固流化床内宽筛分硅粉颗粒流化特性的数值模拟[J].高校化工学报,2011(2):276-282.

[7] 成大先.机械设计手册第1卷[M].北京:化学工业出版社,2008.