基于DEM的搅拌车罐体模拟仿真

郑招强

ZHENG Zhao-qiang

青特集团有限公司 山东青岛266109

基于DEM的搅拌车罐体模拟仿真

郑招强

ZHENG Zhao-qiang

青特集团有限公司 山东青岛266109

基于离散单元法模拟了混凝土在搅拌筒内的运动，指出物料在罐体内的总体运动及分布状态。分析了罐体的搅拌性能，指出现有罐体的不足之处，提出了罐体改进的方向。

混凝土搅拌车 离散单元法 罐体

1 前言

混凝土搅拌运输车作为现代工程建设中必备的运输设备被广泛应用，该车可以在运输过程中通过罐体的搅动防止预拌混凝土发生离析和初凝。因此，罐体的搅拌性能是混凝土搅拌运输车的一项重要指标。通过对罐体搅拌机理的研究，可以更好地优化罐体性能。

对于混凝土搅拌运输车的搅拌机理研究，目前多采用理论方法[1]和CFD（计算流体力学）模拟的方法。采用理论的方法运用了理论力学的基本理论，通过建立动力学理论模型，对搅拌筒搅拌过程进行动力分析，并建立了相应的动力学方程，但此方法不能直观地看到搅拌筒的内部搅拌状况。随着技术的不断进步，CFD 模拟的方法逐渐被应用于搅拌车搅拌机理的研究。采用CFD 方法模拟罐体内部流动时，通常将罐体和叶片作为旋转壁，混凝土部分作为计算域。通过CFD 方法模拟得到罐体在搅拌工况下的速度云图和流线图分别如图1、2所示。从图中可以看出，叶片附近流体的运动方向是沿叶片往罐口方向流动，叶片顶部的流体往罐体封头方向翻滚，罐体轴线附近的流体向罐体封头方向流动，这与实际的搅拌工况并不相符。搅拌工况的实际状况为叶片附近的凝土在叶片的推动下，向罐体封头的方向运动；叶片顶部以上的混凝土向罐口方向平流。由于上述两种方法在研究罐体搅拌性能时都有一定的局限性，本文拟采用DEM 模拟混凝土在搅拌筒内的运动。

图1 速度云图

图2 流线图

2 离散单元法简介及模型描述

离散单元法（Distinct Element Method ，简称DEM）由美国学者Cundall首次提出，是基于分子运动学原理的一种颗粒离散物料分析方法，它的理论基础是牛顿第二定律。目前，EDM在矿物、制药、原材料处理等行业都有很好的应用。混凝土可看作是由水泥、砂石骨料和水组成的离散颗粒群[2]。本文采用EDM对混凝土搅拌运输车的罐体搅拌机理进行研究。为节省计算资源，对模型进行了如下简化：

a. 对罐体进行了1:5的缩小；

b. 混凝土简化为直径5 mm和10 mm两种颗粒，数量均为3 500个，物料密度为2 400 kg/m3，泊松比为0.3；

c. 罐体转速为5 rad/min，搅拌时间为100 s。

3 仿真结果分析

3.1 物料总体运动趋势

对于搅拌工况，罐体轴线方向上，在罐体开始转动的前几秒，物料往封头方向运动明显（如图3），一段时间后，物料总体处于运动平衡状态。在运动平衡状态时，在叶片的推动作用下，物料有整体往封头侧运动的趋势，并在封头处形成堆积。罐口处物料沿罐体轴线方向往封头侧的运动较为明显；越靠近封头处，沿罐体轴线方向往封头侧的运动越不明显；由于封头的阻挡作用，在封头附近，物料几乎只有沿罐体圆周方向的运动（如图4）。在罐口侧的物料由于叶片的推动作用逐步堆积，当物料堆积到高于叶片的高度时，由于没有了叶片的阻挡，会向叶片的后方跌落，跌落的物料随即随叶片往封头侧运动，从而形成搅拌的循环。在罐体圆周方向上，由于物料的粘滞性，贴近罐壁的物料，在罐壁和叶片的带动下沿罐体旋转方向运动，到达一定高度后，在重力作用下向罐体另一侧滚落。这样，在搅拌工况时，在罐体轴向和罐体圆周方向运动的共同作用下，罐内物料呈现封头处高罐口处低，在圆周方向一侧高一侧低的分布状态（如图5）。

图3 搅拌初期运动矢量图

3.2 搅拌性能分析

罐体的搅拌性能体现在物料上就是物料的匀质性。由于罐体的旋转使各物料颗粒的运动方向和速度均不相同，相互之间产生剪切滑移以致相互穿插、扩散，从而使物料均匀混合[3]。

图4 搅拌稳定状态运动矢量图

图5 物料分布状态图

为直观地观察不同部位物料的运动情况，在罐体轴线方向上，从罐口端至封头端，依次选取不同部位的物料，并分别用不同颜色标示，如图6所示。经过一段时间的搅拌，从图7可以看出，靠近罐口侧的物料在罐体轴线方向上的循环路径大于靠近封头侧的物料循环路径，并且罐口侧的物料穿插运动明显强于封头侧物料的穿插运动。在圆周方向上，罐口侧物料的穿插运动也明显强于封头侧物料的穿插运动（如图8、9）。因此，对整个罐体的搅拌性能而言，罐口侧的搅拌性能强于封头侧；同时也可看出，整体物料的运动在罐体内轴线方向呈层状分布，某区域内的物料只能在一定的范围内运动循环，不能形成一个大而完整的循环。因此，应该在罐体内部特别是在靠近封头处采取一定的措施，如增加辅助叶片、增设导流孔等，增强物料往罐口侧的流动性，以提高罐内物料的匀质性。

图6 罐体不同位置物料图

图7 罐体不同位物料轴向运动轨迹图

图8 罐口侧物料圆周方向运动轨迹

图9 封头侧物料圆周方向运动轨迹

4 结语

采用DEM模拟混凝土在搅拌筒内的运动，是一种动态的仿真，可以直观地了解罐内物料在一段时间内的运动状态，以及物料各组分的分布状况，更好地揭示搅拌车罐体的搅拌机理。根据仿真结果，对罐体搅拌性能进行了分析，指出现有罐体仅依靠两条螺旋叶片不能较好地保证罐内物料的匀质性，应该在罐体内部，特别是在靠近封头处采取一定的辅助措施，增强罐体的搅拌性能，以提高罐内物料的匀质性。

[1] 江继辉.混凝土搅拌输送车搅拌过程的运动分析[J].工程机械,1991(2):28-30.

[2]吴超,吴努,胡志超.基于DEM的螺旋输送机模拟仿真[J].中国农机化学报,2015.36(2):92-94,115.

[3]王振鹏,丁渭渭,李耀等.基于EDEM的螺旋带式搅拌装置在双立轴搅拌机上的应用[J].山东交通学院报,2014.22(4):72-76.

Simulation of Concrete Mixer Based on DEM

The concrete movement within the mixer based on the Distinct Element Method was simulated in this paper, and the overall movement and distribution of the material inside the mixer was figured out. Through the analysis of the mixing performance of mixer, the existing deficiency of the mixer was pointed out , and the improvement direction of the mixer was put forward.

concrete mixer truck; DEM; tanker

U469.6+5.02

A

1004-0226(2017)05-0097-03

郑招强，男，1980年生，工程师,从事专用汽车设计工作。

2017-03-07