PVA纤维束双卧轴搅拌器的数值模拟

曹源文+肖伟+王凡宇+王棋

摘要：为了使掺入PVA 纤维的水泥混凝土搅拌得更加均匀，以某PVA纤维束双卧轴搅拌分散设备为研究对象，利用Fluent软件对PVA纤维束双卧轴搅拌器的搅拌分散过程进行数值模拟，研究叶片间距、搅拌轴距和转速对搅拌流场的湍流强度和压力分布的影响。结果表明：减小叶片间距、减小搅拌轴距和增大搅拌转速对纤维搅拌分散有利；同时，对PVA纤维束进行流体参数估算，为纤维束搅拌流场仿真分析提供参数依据。

关键词：PVA纤维；双卧轴搅拌器；Fluent；数值模拟

中图分类号：U415.5文献标志码：B

Abstract： In order to make the PVA fiber evenly mixed with cement concrete， Fluent， a computational fluid dynamics software tool， was applied to conduct the numerical simulation of the scattering and stirring of PVA fiber bundles in doubleshaft mixer. The effect of blade interval， distance between the stirring shafts and mixing speed on the turbulence intensity and stress distribution of the flow field was studied. The results show that the PVA fiber is scattered more evenly when the blade interval and the distance between the stirring shafts are reduced or the mixing speed goes higher. Meanwhile， the estimate of fluid dynamics of PVA fiber bundles provides basis for the fluid field simulation.

Key words： PVA fiber； doubleshaft mixer； Fluent； numerical simulation

0引言

目前，通过掺入 PVA 纤维增强水泥混凝土的韧性是热门研究课题。国内外的诸多试验研究表明[14]，水泥基复合材料中掺入 PVA 纤维，可有效改善水泥基复合材料的抗裂性能，还可以显著提高混凝土的劈裂抗拉强度，改善水泥混凝土的变形和破坏特性[5]。PVA 纤维对混凝土的抗冲击、抗渗、抗收缩性能以及弯曲韧性也有一定程度的改善作用[6]。

PVA纤维是一种直径仅有几微米，且成束整体存在的材料，它在水泥混凝土中难以均匀分散，这会影响PVA纤维水泥基复合材料的性能，也会限制PVA纤维作为功能材料的推广应用。因此，在PVA纤维掺入水泥混凝土之前，需要将PVA纤维束分散成一根根的条状，形成均匀良好的网状结构，这是PVA纤维与水泥混凝土材料拌和均匀后发挥其作用的关键[79]。

本文以安徽某工地的PVA纤维束双卧轴搅拌分散设备为研究对象，基于Fluent软件，研究在不同搅拌叶片间距、不同搅拌轴距以及不同搅拌转速下[10]，PVA纤维束双卧轴搅拌器的流场变化情况，为PVA混凝土的生产提供有益借鉴。

1搅拌器流场的理论基础

1.1流体介质的密度

本文中搅拌分散流体介质为安徽皖维集团产的混凝土用改性PVA纤维。在搅拌分散中，悬浮体为纤维和空气的混合物。其体积分数φb和质量分数ωb有如下关系

φb=ρωbδ（1-ωb）-ρωb（1）

式中：ρ为空气密度，取1.125×103 kg·m-3；δ为纤维密度，取1.3×103 kg·m-3。

悬浮体的密度是指单位体积内空气与分散介质的质量之和，也称物理密度，用ρs表示，计算公式为

ρs=φbδ+（1-φb）ρ（2）

假设PVA纤维束在分散机构内部均匀分布，入口流量和出口流量相同，即流场达到了稳态，计算得出流场内悬浮体的密度ρs=38.23 kg·m-3。

1.2流体介质的粘度

将布尔运算抽取的流体域模型导入CATIA软件测量其体积，即流场体积v。根据质量守恒定律可得

ρv1=δv2=ρsv（3）

式中：v1为搅拌室纤维束体积，v1=7692×10-4m3；v2为搅拌室内空气体积，v2=0049 m3。

爱因斯坦从流体力学理论上导出的悬浮体粘度μs计算公式

μs=μ（1+2.5v1/v2）（4）

式中：μ为空气的动力粘度，在 0 ℃和1 atm条件下，μ=0.094×10-5Pa·s。

计算得：温度为20 ℃时，纤维束悬浮体的粘度约为1917 5×10-5 Pa·s。

1.3流体流动的控制方程

流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律有：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。本文中PVA纤维束在Fluent数值模拟中为不可压缩牛顿流体，在搅拌过程中与桶壁和叶片之间摩擦而产生的热交换量很小，可以忽略，故可不考虑能量守恒方程。

2搅拌器模型及网格划分

2.1搅拌器模型建立

本文以安徽某工地上的PVA纤维束双卧轴搅拌分散设备为基础，运用CATIA软件建立三维实体模型，筒体的尺寸为1 300 mm×660 mm×980 mm，采用并行排列在搅拌轴上的四梯形搅拌叶片，图1、2为搅拌叶片三维模型和实物。

2.2搅拌器网格划分

将CATIA建立的几何模型文件导入ANSYS Design Modeler模块，用布尔运算分别抽取2个搅拌轴的旋转流域和外部静止流域，其中包裹搅拌叶片的区域为旋转区域，其他区域均划分为静止区域。

保存为XT文件导入ICEM CFD中，根据流体域形状定义入口、出口、壳体、旋转轴，并将旋转流域与静止流域交界面设置成interface面。由于旋转轴结构复杂，故采用适应能力强的非结构网格，根据空间大小以及对计算结果影响的重要程度，设置不同大小尺寸的网格，并对搅拌叶片处的网格进行加密处理，整个装置一共划分了575 624个网格。图3是流场网格剖面图。

3搅拌器三维流场的数值模拟

本文采用多重参考系法（MRF）、Realizable kε模型、二阶迎风格式设置SIMPLE算法，保持默认收敛值为10-4，迭代步数为100步[8]。模拟不同搅拌叶片间距、不同搅拌轴距以及不同搅拌转速下，PVA纤维束双卧轴搅拌器的流场变化情况。

3.1不同搅拌叶片间距对流场的影响

为了方便对比观察，统一湍流云图梯度刻度。分别得到搅拌叶片轴截面湍流云图和同轴相邻叶片中间轴截面湍流云图，如图4～6分别是间距为40、50、60 mm叶片轴截面及其相邻叶片中间轴截面的湍流云图。

对比图4～6可以看出，随着叶片间距不断增大，搅拌叶片附近流场的湍流强度不断减弱，相邻叶片中间剖面湍流强度的高湍动能面积也逐渐递减，说明叶片间距越大，流场空气相对运动速度越小，越不利于纤维的分散。所以在只考虑纤维的分散效果时，搅拌叶片的间距应该越小越好。

3.2不同搅拌轴距对流场的影响

设置搅拌轴转速为450 r·min-1，轴距在140～200 mm之间变化，变量步长设置为10 mm，做7组对比仿真。为了对比观察，在每组截面云图中，把2组叶片的中心线相连接，得到7根连轴线。每根连轴线的长度即为该组仿真的轴距，在每根连轴线上沿x方向均匀取20个点，在CFDPost中建立x坐标与湍流动能的关系曲线，轴距越大，连轴线也越长，所以每组曲线长短不一，得到的位移和湍动能关系如图7所示。

轴距为140、 150、160 mm的曲线变化规律大致相同，其中轴距为150 mm的曲线在中心点处湍动能的最大值最大。

轴距为170 mm时，在x坐标为004～0.07之间，湍动能大小相差不大，此区间内2组叶片的梯形部分开始完全重合。

轴距为180 mm时，在x坐标为007～011之间，湍动能先后达到最大值，这两处分别对应2组叶片边缘部分，中心点处湍动能相对略有下降。

轴距为190、200 mm的曲线变化规律与轴距为180 mm时类似，中心点处湍动能下降幅度最大，且轴距越大，下降幅度越大，说明轴距增大会减小叶片流场的运动。

综合以上分析可知，搅拌轴距适当减小，可以增强叶片间流场运动，且轴心处流场运动最为激烈。适当减小轴距并增大叶片长度，可以增强搅拌器的分散效率。

3.3不同搅拌转速对流场的影响

设置不同叶片间距的搅拌轴转速从300～1 000 r·min-1变化，变量步长为50 r·min-1。模拟间距为40、50、60 mm的叶片在不同转速时的流场最大压力值，得到的转速与压力关系曲线如图8所示。

从图8可以看出，随着转速的不断增大，最大压力会随之增长，且增长的斜率也在不断增大。特别是当转速大于800 r·min-1后，最大压力值会出现激增现象，并且叶片间距越大，激增的斜率也越大，说明转速的增大会增加叶片对纤维的剪切力，促进对纤维的分散，同时也会增加搅拌机的功耗。

4结语

（1）对比分析了40、50、60 mm三组不同叶片间距下PVA纤维束搅拌器流场湍流强度分布，结果表明：适当减小叶片间距对纤维的分散有利。

（2）研究不同轴距的流场湍流强度分布，结果表明：叶片在旋转剪切时，交错重叠区域面积越大，叶片附近流场与叶片中间剖面处流场的湍流强度越小；适当减小搅拌轴距，可以增强叶片间流场运动，对纤维的分散有利。

（3）研究不同搅拌转速与压力的关系，从关系曲线中得出：转速的提高会增加叶片对纤维流的剪切力，促进对纤维的分散，但是同时也会增加搅拌器的功耗。

（4）对PVA纤维束进行流体参数估算，得出悬浮体密度和粘度，为纤维束搅拌流场仿真分析

参考文献：

[1]高淑玲.PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[2]陈婷.高强高弹PVA纤维增强水泥基材料的研制与性能[D].合肥：合肥工业大学，2004.

[3]刘品旭.PVA纤维增强水泥基复合材料的耐久性能研究[D].天津：河北工业大学，2013.

[4]李艳，梁兴文，刘泽军.PVA纤维增强水泥基复合材料：性能与设计[J].混凝土，2009（12）：5457.

[5]王永波.PVA纤维增强水泥基复合材料的性能研究[D].重庆：重庆大学，2005.

[6]吴中伟.纤维增强—水泥基材料的未来[J].混凝土与水泥制品，1999（1）：56.

[7]何洲.搅拌器内部流场特征的数值模拟研究[D].上海：华东理工大学，2010.

[8]武光霞.涡轮式组合搅拌器流场模拟研究[D].青岛：青岛科技大学，2014.

[9]尚坦.秸秆揉丝机揉搓机构内流场仿真及流固耦合分析[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2014.

[10]白晓莉，唐克伦，李辉，等.基于 Fluent 的搅拌器三维流场数值模拟及其实验研究[J].机械工程师，2015（3）：1721.

[责任编辑：杜卫华]