混凝土泵分配阀流场数值仿真研究

赵青，刘会勇

(1.贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳550003;2.清华大学摩擦学国家重点实验室，北京100084;3.贵州大学机械工程与自动化学院，贵州贵阳550003)

混凝土泵是通过管道依靠压力输送混凝土的施工设备，它能够一次连续地完成水平输送和垂直输送，在国内外已得到了广泛的应用［1］。混凝土泵分配阀作为混凝土泵的“心脏”，其工作可靠性的高低将直接影响混凝土泵的使用性能。因此，研究泵送施工作业时的混凝土泵分配阀内部流场分布情况十分必要。

计算流体动力学 (CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析，广泛应用于水利、航运、流体机械等各种技术科学领域［2－4］。SolidWorks作为 Windows平台下的机械设计软件，完全融入了Windows软件使用方便和操作简单的特点，而且具有强大的基于特征的实体建模功能，也已经得到广泛的应用［5］。

在SolidWorks中建立了混凝土泵分配阀模型，在GAMBIT中划分网格并指定边界条件，并在Fluent中进行求解计算，研究混凝土泵分配阀的流场。

1 混凝土泵分配阀几何模型

混凝土泵分配阀的种类很多，包括蝶形分配阀、闸板式分配阀和管形分配阀［1，6－7］。其中，S 形管阀是目前混凝土泵中使用最广泛的一种分配阀，它置于集料斗内，一端与输送管相连，另一端在摆动液压系统的驱动下左右摆动，交替连通混凝土缸和输送管道，将料斗中的混凝土连续不断地输送到浇注点。

S形管阀有变径和不变径两种形式，其中不变径S形管阀在工作时阀体所受的冲击小、阻力小、磨损小，混凝土在其中流动顺畅且加工容易。目前大多数混凝土泵均采用不变径的 S 形管阀［8］。在SolidWorks中建立不变径的S形管阀模型如图1所示。

图1 不变径的S形管阀模型

2 混凝土简易多相流模型的选取

目前，用于研究多相流的方法有欧拉－拉格朗日方法和欧拉－欧拉方法［2］。欧拉－拉格朗日方法将流体相视为连续相，使用基于网格的时间平均方法来得到连续相流场，离散相通过计算流场中大量粒子的运动得到，离散相和流体相之间存在质量、动量和能量的交换。欧拉－欧拉法中将不同的相处理成互相贯穿的连续介质，把颗粒视作为拟流体，即连续流体模型［2］。

在Fluent中，有3种欧拉－欧拉模型:VOF模型、混合模型和欧拉模型。其中，VOF模型适用于分层的自由表面流。在欧拉模型中，各相被处理为互相贯通的连续体，并且适用于分散相只集中于区域的一部分。混合模型可用于两相流或多相流 (流体或颗粒)，并且颗粒的分散有着宽广的分布［2］。泵送混凝土是通过将水、水泥和粗细集料进行充分搅拌及混合而成，粗细集料分布均匀。因此，文中的计算选用混合模型。

混合模型的连续方程［9］:

式中:vm为质量平均速度，

αk为第k相的体积分数;

ρm为混合密度，

混合模型的动量方程［9］:

式中:n为相数;

F为体积力;

μm为混合黏性，

vdr，k为第二相 k 的飘移速度，vdr，k=vk－ vm。混合模型的能量方程［9］:

式中:keff为有效热传导率。

第二相的体积分数方程［9］:

从第二相p的连续方程，可以得到第二相p的体积分数方程为:

3 混凝土泵分配阀流场数值仿真

泵送混凝土时，分配阀在摆动液压系统的驱动下左右摆动，交替连通混凝土缸和输送管道，分配阀的尺寸如图2所示［8］，分配阀与混凝土缸连接关系如图3所示。其中，分配阀连接输送管道和混凝土缸的两个端面的中心距为240 mm，分配阀和混凝土缸的直径为180 mm，两个混凝土缸中心距为240 mm。结合图2和图3可以看出，分配阀在连接混凝土缸时需要摆动的角度分别为相对于竖直方向左30°和右30°。

图2 分配阀尺寸

图3 分配阀与混凝土缸的连接关系

启动GAMBIT，选择求解器 Fluent5/6，导入在SolidWorks中建立的不变径S形管阀模型并划分网格，如图4所示。边界条件分别指定进口为速度进口(Velocity-inlet)，出口为出流 (Outflow)。

图4 划分网格后的S形管阀模型

启动Fluent，导入S形管阀模型的网格文件，检查网格并设置单位之后，需要对解法、进口速度、多相流模型等相关计算参数进行设置，这些计算参数的设置如表1所示。

表1 计算参数设置

将混凝土作为两相流混合模型处理，在定义多相流时，将流体相设置为第一相，将颗粒相设置为第二相。流体相和颗粒相的材料属性见表2。

表2 混凝土两相流体材料属性

经过Fluent求解计算，混凝土分配阀流场数值仿真结果如图5所示。

图5 混凝土分配阀压力分布流场

仿真结果分析:

图5中，(a)、(b)、(c)分别为分配阀摆动角度相对于竖直方向左30°时压力分布流场的后视图、前视图和左视图，(d)、(e)、(f)分别为分配阀摆动角度相对于竖直方向右30°时压力分布流场的前视图、后视图和左视图。结合各图可看出:泵送混凝土时，分配阀内的压力从连接混凝土缸一端到连接输送管道一端逐渐减小，在连接混凝土缸一端的底部达到最大，而在连接输送管道一端的底部达到最小;当分配阀的摆动角度相对于竖直方向左30°时，分配阀内压力在连接混凝土缸一端的左外端面最大;当分配阀的摆动角度相对于竖直方向右30°时，分配阀内压力在连接混凝土缸一端的右外端面最大。因此，泵送混凝土时，分配阀连接混凝土缸一端的左右外端面承受的压力最大，造成的磨损最严重。

4 结束语

根据混凝土泵分配阀的作用和结构特点，采用SolidWorks建立了混凝土泵分配阀模型，在GAMBIT中划分网格并指定了边界条件，并在Fluent中进行求解计算，研究了混凝土泵分配阀的内部流场。

仿真结果表明:(1)分配阀内的压力从连接混凝土缸一端到连接输送管道一端逐渐减小，说明泵送压力将随着距离的增大而减小;(2)泵送混凝土时，分配阀连接混凝土缸一端的左右外端面承受的压力最大，造成的磨损最严重。

因此，在设计混凝土泵分配阀时，应着重考虑在泵送混凝土时，分配阀与混凝土缸连接端的磨损情况，采用耐磨材料并且保证分配阀内部足够光滑，以降低混凝土对分配阀的磨损。

【1】张国忠．现代混凝土泵车及施工应用技术［M］．北京:中国建材工业出版社，2004．

【2】张凯，王瑞金，王刚．Fluent技术基础及应用实例［M］．2版．北京:清华大学出版社，2010．

【3】韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT:流体工程仿真计算机实例与应用［M］．北京:北京理工大学出版社，2004．

【4】王福军．计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用［M］．北京:清华大学出版社，2004．

【5】魏峥，王一惠，宋晓明．SOLIDWORKS2008基础教程与上机指导［M］．北京:清华大学出版社，2010．

【6】赵志缙．泵送混凝土［M］．北京:中国建材工业出版社，1985．

【7】赵志缙，赵帆．混凝土泵送施工技术［M］．北京:中国建筑工业出版社，1998．

【8】陈宜通，田利芳．混凝土泵S型管阀程序设计［J］．西安建筑科技大学学报:自然科学版，2005，37(1):144－145，148．

【9】王占榜．稠化胶体在管道内的流动特性研究［D］．西安:西安科技大学，2004．