朱學(xué)平 陳靜 胡亞貞

中航工業(yè)安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

1 引言

散裝水泥運(yùn)輸半掛車使用方便、運(yùn)輸效率高、成本低，是實(shí)現(xiàn)中短途散裝水泥運(yùn)輸?shù)妮^好工具。為實(shí)現(xiàn)整車質(zhì)心低、行駛安全、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，國內(nèi)散裝水泥運(yùn)輸半掛車多采用V型臥FLUENT計算流體動力學(xué)軟件，本文對散裝水泥運(yùn)輸罐車在剎車過程罐內(nèi)水泥的流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和式罐的結(jié)構(gòu)[1]。近年來，隨著計算機(jī)運(yùn)算速度的提高，針對散裝物料運(yùn)輸車物料流動特性的數(shù)值模擬技術(shù)得到了迅速發(fā)展[2-4]。為探索散裝水泥運(yùn)輸半掛車在剎車過程中罐內(nèi)水泥的流動特性，基于研究。

2 雙流體模型及控制方程

歐拉雙流體模型的基本假設(shè)[5]：把顆粒和氣體都看成是連續(xù)介質(zhì)；認(rèn)為空間各點(diǎn)都有這兩種流體各自不同的速度、密度分布，共同占據(jù)同一空間而互相滲透；顆粒和氣體存在不同的體積份額（或出現(xiàn)的概率），相互間存在著滑移。根據(jù)質(zhì)量守恒和動量守恒定律，建立連續(xù)方程和動量方程[6]：

連續(xù)性方程：

式中，α、ρ、v分別表示體積分?jǐn)?shù)、密度和瞬時速度，S為質(zhì)量源項。

式中， g為重力加速度，β為相間交換系數(shù)，p為壓強(qiáng)，τ為應(yīng)力張量，u為平均速度。

氣固相之間曳力關(guān)系采用Syamlal-O'Brien曳力定律，其控制方程為：

式中，vs,r為固相終端速度，CD，Res分別表示曳力系數(shù)，相對雷諾數(shù)，計算公式如下：

3 物理模型及計算結(jié)果

3.1 物理模型及邊界條件

散裝水泥運(yùn)輸半掛車罐體為V型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。罐體由封頭、直角斜錐筒體、氣室結(jié)構(gòu)組成，涉及到的物理模型計算參數(shù)如表1所示。理論設(shè)計狀態(tài)下，牽引車載荷：

計算得K1=40.81%，適用于6×4型牽引車，此類車型具有轉(zhuǎn)彎半徑小、承載量大等優(yōu)點(diǎn)。

表1 物理模型參數(shù)表

由于散裝水泥運(yùn)輸半掛車罐體左右兩側(cè)為對稱結(jié)構(gòu)，可簡化二維縱向截面作為散裝水泥運(yùn)輸半掛車在剎車過程中做減速運(yùn)動數(shù)值模擬的計算區(qū)域，如圖2所示。操作條件：罐內(nèi)壓力為0.1 MPa，溫度為30℃，初始罐內(nèi)水泥高度為2.57 m，初始固含率為0.467 7。制動過程的工況參數(shù)如表2所示，假設(shè)在剎車過程中，散裝水泥運(yùn)輸半掛車做勻減速運(yùn)動，數(shù)值模擬所涉及到的氣-固物性參數(shù)如表3所示。

表2 制動過程工況參數(shù)

表3 氣-固物性參數(shù)

對上述模型計算區(qū)域使用ICEM劃分不大于5 mm×5 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)為904 406，應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT，結(jié)合邊界條件，對控制方程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解，計算時間步長為0.001 s，計算模擬剎車過程時間為2.4 s。

3.2 計算結(jié)果

圖2為常規(guī)散裝水泥半掛車在加速度a=－6.9 m/s工況下，剎2車過程罐內(nèi)水泥瞬時顆粒體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)示意圖。從圖2可以看出，在初始狀態(tài)（t=0）時，罐內(nèi)下層為水泥固體顆粒，占罐體總體積分?jǐn)?shù)的80%，上層為空氣。剎車初始階段，罐體由于受到向前的加速度影響，罐內(nèi)水泥開始向前運(yùn)動，前端水泥不斷升高，尾部水泥不斷降低。隨著剎車時間的持續(xù)，罐體前部水泥不斷增加，直至漫過罐頂；罐體后部水泥不斷減少，并出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象，同時罐體底部局部出現(xiàn)水泥堆積現(xiàn)象。當(dāng)罐內(nèi)水泥向前運(yùn)動出現(xiàn)最大化后，后部水泥又不斷向后回落。在t=2.4 s剎車結(jié)束時刻，牽引車載荷占水泥總質(zhì)量的55.33%，明顯高于設(shè)計載荷，散裝水泥半掛車會出現(xiàn)掛車前輪磨損嚴(yán)重、牽引車爆胎等現(xiàn)象。同時，由于水泥物料的靜止安息角為40～45°[7]，剎車后物料不能恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，罐內(nèi)前側(cè)物料多，后側(cè)物料少；由于前后側(cè)進(jìn)氣室同時進(jìn)氣，會出現(xiàn)后側(cè)粉粒物料先卸完，前側(cè)粉粒物料后卸完，即前后部分粉粒物料卸料不同步，從而影響卸料總時間。

3.3 罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后計算結(jié)果

圖3為罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的散裝水泥半掛車，在加速度α=-6.9 m/s2工況下的剎車過程中，罐內(nèi)水泥瞬時顆粒體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)示意圖。從圖3可以看出，改進(jìn)后在罐體相應(yīng)位置增設(shè)了阻流板。剎車時，水泥物料向前運(yùn)動，在阻流板前側(cè)形成一個“空腔”，隨著剎車過程的繼續(xù)，空腔的氣體從阻流板下側(cè)向后溢出，前側(cè)溢出氣泡小于后側(cè)阻流板溢出氣泡，氣泡的向后運(yùn)動和水泥物料的向前運(yùn)動構(gòu)成了罐內(nèi)氣體-水泥物料兩相在剎車過程中的紊流流場。在t=2.4 s剎車結(jié)束時刻，牽引車載荷占水泥總質(zhì)量的47.06%，低于罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的牽引車載荷。

3.4 剎車過程牽引車載荷的變化

圖4為剎車過程0～2.4 s牽引車載荷變化的曲線圖。其中紅色圓點(diǎn) 曲線為常規(guī)散裝水泥運(yùn)輸半掛車剎車過程中牽引車載荷的變化曲線，剎車時，主車載荷不斷增大，后趨于平穩(wěn)，并略有下降趨勢，在t=2.0 s時，主車載荷達(dá)到最大值，占水泥總質(zhì)量的56.37%；綠色方點(diǎn) 曲線為在散裝水泥運(yùn)輸半掛車罐內(nèi)增設(shè)阻流板后，剎車過程牽引車載荷的變化曲線。剎車時，主車載荷不斷增大，最后趨于平穩(wěn)，其載荷變化幅度遠(yuǎn)小于原始模型牽引車載荷，在t=1.8 s時主車載荷達(dá)到最大值，占水泥質(zhì)量的47.27%?？梢钥闯?，改進(jìn)后模型在罐內(nèi)增設(shè)阻流板能明顯降低散裝水泥運(yùn)輸半掛車在剎車過程主車載荷的變化。

4 結(jié)語

散裝水泥運(yùn)輸半掛車在剎車過程中，罐內(nèi)水泥向前運(yùn)動，牽引車載荷高于設(shè)計載荷，會引起掛車前輪出現(xiàn)磨損及牽引車爆胎現(xiàn)象，同時由于水泥的物料安息角為40°～45°，剎車后物料無法恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，會引起罐內(nèi)前后部分卸料不同步問題，從而會降低卸料速度。對此提出了通過在罐體內(nèi)部增設(shè)阻流板的改進(jìn)措施，可有效降低散裝水泥半掛車在剎車過程主車載荷的變化。

[1] 徐達(dá),蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 裴未遲,韓炬,李耀剛.散裝水泥運(yùn)輸罐車流化床改進(jìn)方案的研究及仿真[J].中國粉體技術(shù),2011(04):5-7.

[3] 紀(jì)宏超,李耀剛,王玉彬.基于FLUENT二次開發(fā)的散裝水泥運(yùn)輸車卸料過程數(shù)值模擬[J].中國粉體技術(shù),2012(05):45-49.

[4] 朱學(xué)平.散裝面粉運(yùn)輸車流化床流動特性的數(shù)值模擬[J].專用汽車,2013(07):84-86.

[5] 楊太陽,王安仁,張鎖江等.氣固鼓泡流化床的流動特性數(shù)值模擬[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2005(03):206-210.

[6] 王偉文,董海紅,陳光輝等.氣固流化床內(nèi)寬篩分硅粉顆粒流化特性的數(shù)值模擬[J].高?；W(xué)報,2011(2):276-282.

[7] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊第1卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.