摘"要：以加氣混凝土攪拌機(jī)為原型，利用流體仿真軟件Fluent，采用歐拉多相流模型、Realizable k-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格法相結(jié)合的方法，對(duì)攪拌機(jī)內(nèi)3種不同類(lèi)型的攪拌器分別進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，模擬研究攪拌機(jī)內(nèi)3種不同類(lèi)型攪拌器的流體流動(dòng)特性和物料濃度變化，分析轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌效果的影響。通過(guò)仿真結(jié)果比對(duì)可知，四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優(yōu)，可為加氣混凝土攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：加氣混凝土攪拌機(jī)；流體仿真；瞬態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號(hào)：1671-5276（2024）02-0162-04

Numerical Simulation Analysis of Aerated Concrete Mixer Based on Fluent

LAN Zhiqiao1， JIANG Huaitong2， ZHANG Meng2， WANG Jian1

（1. School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；

2. Jiangsu Tengyu Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Suqian 223812，China）

Abstract：Based on aerated concrete mixer as the prototype， the fluid simulation software Fluent and Eulerian multiphase flow model， Realizable k-ε turbulence model and slip grid method are applied to perform transient calculations for each of the three different types of mixers in the mixer， simulate and study the fluid flow characteristics and material concentration changes of the three different types of mixers in the mixer， and analyze the influence of rotational speed on the mixing effect. The comparison of the simulation results show that the mixing effect of the turbine-screw mixer with four inclined lobes opening is optimal， a reference for the design of aerated concrete mixer.

Keywords：aerated concrete mixer；fluid simulation；transient

0"引言

加氣混凝土攪拌機(jī)是生產(chǎn)加氣混凝土砌塊的主要設(shè)備，其將一定配比的砂、水泥、生石灰、石膏及鋁粉懸浮液體進(jìn)行攪拌，使之均勻混合，充分反應(yīng)并及時(shí)將混合料漿注入模框內(nèi)［1］。

攪拌機(jī)內(nèi)不同的攪拌器會(huì)影響加氣混凝土的性能以及生產(chǎn)效率。為了研究不同攪拌器攪拌效果，往往采用CFD軟件預(yù)先對(duì)攪拌器進(jìn)行仿真模擬分析，從而減少前期產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本［2］。

Fluent軟件［3］是目前采用有限體積法求解流體力學(xué)問(wèn)題的主流CFD軟件。本文基于Fluent對(duì)螺旋攪拌器、四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器和四斜葉圓盤(pán)渦輪-螺桿式攪拌器3種不同類(lèi)型攪拌器進(jìn)行流體仿真，從結(jié)果分析不同類(lèi)型攪拌器的流場(chǎng)特性和不同轉(zhuǎn)速下的攪拌性能，為加氣混凝土澆注攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1"攪拌機(jī)有限元模型的建立

1.1"幾何模型

為了使仿真效果更貼合實(shí)際，在建模時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)加氣混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。簡(jiǎn)化后的攪拌槽結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。攪拌槽直徑D=1 700mm，槽高H=2 000mm（圓柱筒體高度為H1=1 500mm），攪拌槽內(nèi)壁安裝有4塊擋板，擋板寬度與罐徑比在1/12～1/10之間，故取W=150mm，擋板厚度T=6mm，攪拌器安裝高度H2=250mm（螺旋葉片底部到攪拌槽底部的距離）。螺桿式攪拌器（LG）與渦輪式攪拌器相距H3=760mm，螺旋葉片直徑d1=550mm，螺旋升角ψ=10°。根據(jù)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［4-5］，對(duì)四斜葉圓盤(pán)式渦輪攪拌器（ZY）和四斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器（MK）進(jìn)行建模，其幾何模型如圖2所示。渦輪攪拌器的直徑d2=450mm，葉片高度h=80mm。

1.2"網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分前，需要將攪拌槽幾何模型的流體計(jì)算域抽取出，并將攪拌葉片附近的流體域劃分為動(dòng)域。該動(dòng)域是略大于攪拌葉輪的圓柱體并將攪拌葉輪包裹其中，其他區(qū)域劃分為靜域。將劃分好動(dòng)靜區(qū)域的幾何模型導(dǎo)入Fluent Meshing［6］進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中對(duì)攪拌器壁面網(wǎng)格和動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，使仿真更加準(zhǔn)確地反映流場(chǎng)性能。設(shè)置緩沖層數(shù)為3，使網(wǎng)格過(guò)渡更加順暢，提高近壁面流體的計(jì)算精度。在體網(wǎng)格生成方法中使用Ploy-Hexcore，能夠提升網(wǎng)格中六面體的數(shù)量，以達(dá)到提升求解精度的目的。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

1.3"Fluent仿真設(shè)置

1）物理模型及求解器

在加氣混凝土攪拌機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程中，需要將水、砂、水泥、生石灰、石膏及鋁粉懸浮液體等多種介質(zhì)進(jìn)行混合攪拌，而本文主要分析水、砂和水泥（質(zhì)量比例約為150∶3∶7）的混合，故采用多相流模型中的歐拉模型（the eulerian model）［7］。該模型將各相視為相互滲透的連續(xù)體，每一相都有各自的連續(xù)方程和動(dòng)量方程，通過(guò)壓力和相間模型耦合各相。在攪拌過(guò)程中會(huì)伴隨湍流的產(chǎn)生，故激活湍流模型并選用Realizable k-ε模型。該模型對(duì)于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等流體有較好的計(jì)算精度。由于攪拌槽內(nèi)料漿的流動(dòng)狀態(tài)是隨時(shí)間變化，整個(gè)流場(chǎng)處于非定常流動(dòng)模式，選用壓力基求解器并采用瞬態(tài)（transient）計(jì)算方式。

2）攪拌介質(zhì)與邊界條件設(shè)定

攪拌介質(zhì)中水為主相，密度為1000kg/m3；砂和水泥為次相，砂的密度為2500kg/m3，粒徑大小設(shè)為0.03mm；水泥的密度為3 000kg/m3，粒徑大小設(shè)為0.08mm。高速攪拌過(guò)程中砂和水泥會(huì)處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故水與砂和水泥的相間作用關(guān)系選用曳力模型（gidaspow）［8］。該模型可以很好地描述撞擊流中顆粒在撞擊區(qū)內(nèi)流體與顆粒之間的動(dòng)量傳遞關(guān)系。

由于使用了瞬態(tài)計(jì)算來(lái)進(jìn)行仿真模擬，且攪拌槽內(nèi)的流體屬于非定常流動(dòng)，故使用滑移網(wǎng)格方法處理流體域內(nèi)動(dòng)域與靜域的關(guān)系。該方法在計(jì)算過(guò)程中使動(dòng)域相對(duì)于靜域沿著網(wǎng)格分界面滑動(dòng)，從而產(chǎn)生瞬態(tài)相互作用，但靜域內(nèi)部網(wǎng)格保持不變。將動(dòng)域流體的運(yùn)動(dòng)設(shè)置為繞攪拌軸線(xiàn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，靜域流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為靜止；為了確?；凭W(wǎng)格在計(jì)算中不出現(xiàn)負(fù)體積，靜域與動(dòng)域的交界設(shè)置為interface。而后是對(duì)其他壁面的設(shè)置，其中攪拌軸表面為運(yùn)動(dòng)壁面（moving wall），速度大小設(shè)置與動(dòng)域速度相同；攪拌葉片表面設(shè)置為運(yùn)動(dòng)壁面（moving wall）；流體在攪拌槽的頂部界面可以自由運(yùn)動(dòng)，故設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界（symmetry）；其他壁面均設(shè)置為靜止壁面。

3）求解初始化

使用phase coupled SIMPLE算法來(lái)進(jìn)行壓力速度耦合的計(jì)算，并使用一階迎風(fēng)格式（first order upwind）求解動(dòng)量方程、體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能（turbulent kinetic energy）和湍流耗散率（turbulent dissipation rate）；收斂殘差設(shè)為10-4。利用cell registers對(duì)流體域進(jìn)行各相初始化區(qū)域的標(biāo)記，并將標(biāo)記好的區(qū)域利用Patch進(jìn)行局部初始化。如圖4所示，上部區(qū)域是體積分?jǐn)?shù)為1的水；中間層為水和水泥的混合區(qū)域，其中水泥的體積分?jǐn)?shù)為0.45，水的體積分?jǐn)?shù)為0.55；底部為水和砂的混合區(qū)域，其中砂的體積分?jǐn)?shù)為0.56，水的體積分?jǐn)?shù)為0.44。

2"仿真結(jié)果與討論

2.1"3種攪拌器在相同時(shí)刻的攪拌效果及分析

應(yīng)用上文設(shè)置，通過(guò)瞬態(tài)計(jì)算得到螺桿式攪拌器、四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器和四斜葉圓盤(pán)渦輪-螺桿式攪拌器在700r/min轉(zhuǎn)速條件下的仿真結(jié)果。下面分析3種不同類(lèi)型攪拌器在10s時(shí)刻的攪拌情況。10s時(shí)刻攪拌槽中砂的體積分?jǐn)?shù)分布如圖5所示，水的速度矢量如圖6所示。由圖5（a）可以看出，砂在螺桿攪拌器的作用下，未能均勻地分布在攪拌槽中；由圖5（b）可以看出，四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器攪拌10s后，砂已經(jīng)均勻地分布在整個(gè)攪拌槽中；由圖5（c）可以發(fā)現(xiàn)，在四斜葉圓盤(pán)渦輪-螺桿式攪拌器攪拌10s后，砂已經(jīng)較為均勻地布滿(mǎn)整個(gè)攪拌槽，但上方還有部分由于形成渦流，水在這部分循環(huán)流動(dòng)，使得砂難以向這部分?jǐn)U散。

由圖6可知，在3種攪拌器的作用下水大體流向都是沿著攪拌軸向上流動(dòng)，到了頂部后向攪拌槽壁面流動(dòng)，最后沿著攪拌槽壁面不斷向下擴(kuò)散，從而形成一個(gè)大的循環(huán)流。從圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)在攪拌槽的左、右上角形成一個(gè)小的渦流。另外兩種攪拌器則沒(méi)有生成明顯的小渦流。

為了更加直觀(guān)地對(duì)3種攪拌器的攪拌效果進(jìn)行比較，在攪拌槽內(nèi)作一條采樣線(xiàn)段，對(duì)攪拌10s后砂在線(xiàn)段上的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算。該線(xiàn)段位于攪拌槽頂部向下500mm處垂直于攪拌軸的平面上，線(xiàn)段長(zhǎng)1 500mm。計(jì)算后得到的砂在該線(xiàn)段上的體積分?jǐn)?shù)分布曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7中可以看到，在螺桿式攪拌器作用下，該線(xiàn)段上的體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)呈現(xiàn)雙峰形狀，說(shuō)明砂在該雙峰位置處由于形成渦流而聚集在此處，使得此處的砂濃度偏高。而另外兩種在該線(xiàn)段上的砂濃度變化平穩(wěn)，其中圓盤(pán)渦輪-螺桿式攪拌器的砂濃度分布在該線(xiàn)段上的一部分呈現(xiàn)斷崖式變化，說(shuō)明在攪拌槽內(nèi)部還有部分位置物料未充分的攪拌混合。

綜上所述可以得出：四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優(yōu)；四斜葉圓盤(pán)渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果次之；螺桿式攪拌器的攪拌效果最差，會(huì)在左、右上角形成渦流。

2.2"轉(zhuǎn)速對(duì)螺桿攪拌器攪拌效果的影響

攪拌器轉(zhuǎn)速是影響攪拌器攪拌效果的重要因素之一。下面研究螺桿式攪拌器在不同轉(zhuǎn)速下的攪拌效果。首先，分別對(duì)700r/min、800r/min、900r/min這3種轉(zhuǎn)速條件下的螺桿式攪拌器進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算，得出10s時(shí)刻不同轉(zhuǎn)速條件下攪拌槽中砂的體積分?jǐn)?shù)分布圖，如圖8所示。從圖8中可以明顯看出在攪拌槽的左、右上角砂由于渦流而發(fā)生聚集現(xiàn)象。隨著轉(zhuǎn)速的提高，這種現(xiàn)象依舊存在。這說(shuō)明攪拌轉(zhuǎn)速并不能使這一流場(chǎng)發(fā)生改變。從圖8（a）和圖8（b）的對(duì)比可以看出隨著轉(zhuǎn)速的提高，砂的濃度分布更加均勻。

為了更加直觀(guān)地分析攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌效果的影響。同樣作一條與2.1內(nèi)容相同的線(xiàn)段來(lái)進(jìn)行砂體積分?jǐn)?shù)的采樣對(duì)比，得到不同轉(zhuǎn)速下砂在該線(xiàn)段上的體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)，如圖9所示。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為700r/min時(shí)，砂的濃度變化幅度最大；當(dāng)轉(zhuǎn)速提升至800r/min時(shí)，砂的濃度變化幅度縮小，更趨于平穩(wěn)；但隨著轉(zhuǎn)速提升至900r/min，砂并沒(méi)有因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高而使得濃度分布得到較大的改善。

3"實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)研究對(duì)3種攪拌器進(jìn)行樣機(jī)的試制，試驗(yàn)樣機(jī)如圖10（a）所示。通過(guò)試制混凝土并測(cè)量其擴(kuò)展度來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)條件是水、砂和水泥以15∶3∶7的質(zhì)量比在700r/min的攪拌器轉(zhuǎn)速下攪拌混合1min；然后在攪拌軸附近、攪拌槽壁面附近以及中間位置進(jìn)行3次料漿采樣。將采樣好的料漿倒入放置于玻璃平板（其上繪制有同心圓）中心處的圓柱模具中（模具直徑50mm，高為100mm），裝滿(mǎn)后緩慢抬起模具，讓料漿自由流動(dòng)擴(kuò)散；最后，測(cè)量料漿擴(kuò)散后所呈圓的直徑，即料漿的擴(kuò)展度。料漿擴(kuò)展度測(cè)量如圖10（b）所示，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，攪拌獲得的混凝土擴(kuò)展度在［220，240］mm內(nèi)時(shí)才能進(jìn)入下一道工序。由表1可以看出，通過(guò)四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器獲得的混凝土擴(kuò)展度平均值最高，為226mm，表示物料混合充分，攪拌效果最佳并且符合生產(chǎn)所需要求。

4"結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)選取的3種不同樣式的加氣混凝土攪拌器進(jìn)行10s的瞬態(tài)數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同攪拌器對(duì)應(yīng)的物料組分濃度場(chǎng)以及在不同轉(zhuǎn)速下螺旋攪拌器的組分濃度場(chǎng)變化，通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

1）在相同轉(zhuǎn)速下，四斜葉開(kāi)啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優(yōu)，四斜葉圓盤(pán)渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果次之，雙層式的攪拌器可以改善螺桿攪拌器的渦流現(xiàn)象。

2）隨著螺桿攪拌器旋轉(zhuǎn)速度的提高，攪拌槽內(nèi)的物料濃度分布更加均勻，物料混合更充分，攪拌效率得到提升，但提升的幅度會(huì)慢慢降低。

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收稿日期：20221107