基于有限元模擬技術的商品砂漿混合物理過程分析

摘 要：結合混合設備結構特征，建立了三維有限元模型，采用四面體非結構化網格對模型的轉動部分進行了劃分，在葉片末端采取了加密處理，在此基礎上成功實現了對商品砂漿混合過程的計算機再現和對復雜物理過程及細節的分析。研究結果表明：混合設備內物料的運動速度沿徑向逐漸增大，在外側槳葉作用下速度達到最大，靠近攪拌軸以及攪拌臂部分速度最小，且在通氣口位置的物料有較大的速度。

關鍵詞：商品砂漿；混合過程；有限元模擬

引言

隨著我國資源節約型、環境友好型社會建設的發展，特別是國家有關建筑節能政策法規的出臺，符合綠色環保發展方向的干混砂漿產業正處于蓄勢待發的大好時機[1]。

混合設備是商品砂漿生產中最關鍵的一環，也即是工廠的“心臟”。目前，關于混合設備的研究主要集中在對混合設備的改進以及結構參數優化方面，缺少對商品砂漿混合物理過程的研究[2-3]。商品砂漿混合物理過程的研究將是設計混合設備的基礎，對混合過程物理現象及細節的洞察和明確能夠為混合設備的設計與改進提供理論依據。商品砂漿物料混合過程是相當復雜的，物料流動是三維和高度不穩定的湍流流動，隨機性和脈動給流場和混合參數的設定帶來了很大的困難[4]，因此，理論建模和實驗研究都難以對物料混合復雜物理過程的動態發展給出滿意的解釋。當前，隨著有限元模擬技術的發展，國內外很多研究學者利用有限元技術對各種工程的物理過程進行模擬分析[5-6]。大量研究表明，有限元模擬技術在研究復雜物理過程方面是較為可行的，是一種有效的研究方法。鑒于此，本文以實際工程中常用的DW1200臥式商品砂漿混合設備為研究對象，利用有限元模擬技術研究干混砂漿物料混合過程，掌握物料混合過程中的各種物理現象及其變化規律，為進一步改進和優化設計混合設備提供理論依據。

1 有限元模型建立

以DW1200單臥軸槳葉式干混砂漿混合設備為研究對象。該混合設備的主要參數為：總容積1200L，攪拌筒直徑1110mm，攪拌軸直徑130mm，電機功率22KW，攪拌軸轉速88r/min。外筒的截面形狀為O形，在UG三維軟件中建立混合設備實體模型，如圖1所示。

網格是有限元模型的幾何表達式，也是模擬和分析的載體，網格質量對有限元計算精度和計算效率有很重要的影響[7]。本文采用ICEM CFD模塊對混合設備實體模型進行網格劃分。由于混合設備內部結構不規則，因此，攪拌槳區域采用四面體非結構化網格劃分，槳外區域采用六面體非結構化網格劃分。將模型分成兩部分，即轉動部分和靜止部分。

（1）轉動部分，此部分模型形狀復雜，采用四面體非結構化網格劃分，由于轉子葉片末端網格質量較差，在此處對網格進行了加密處理，如圖2（a）和2（b）所示。

（2）靜止部分，此部分模型采用六面體非結構化網格劃分。

2 有限元模擬參數設置

2.1 設定物料屬性

2.2 計算模型

由于混合設備內有強湍渦流，具有明顯的各向異性，故模擬采用RNG 湍流模型，氣固兩相流模型選擇混合模型（Mixture Model）。

2.3 設置區域類型和邊界

流場模擬將轉動部分和靜止部分的區域類型均指定為流體域。轉子的各個面的邊界類型指定WALL（壁面），兩部分交界面采用用域接口（Domain Interface）將轉動部分和靜止部分連接起來，將接口性質穩態模擬選為Frozen Rotor，瞬態模擬設為Transient Rotor Stator，其余沒有被指定的邊界默認它們的類型為WALL。

2.4 時間步長的確定

對于非穩態問題的計算，需要設置總時間以及時間步長。研究表明，在滿足收斂和一定精確性的條件下，時間步長的值對最終混合時間的結果影響很小。時間步長于流體流動的循環時間有關，與轉速的倒數成一定的比例關系。一般時間步長取值應小于轉速的倒數的，且本文混合設備模擬所用最大轉速為50，因此，為了計算的穩定性，采用固定的保守時間步長為0.1s。

3 模擬結果與分析

3.1 混合過程流場內物料體積分布

分析混合設備的流場最直接有效的方法就是觀測流場內物料的體積變化。以砂子在混合設備內體積分數的變化進行說明，圖3為不同時刻砂子的體積分布圖。

從圖中可以非常直觀的觀察到混合設備內物料的變化。0.4s時，第二組槳葉轉動到水平位置，沙子在槳葉帶動下向上運動，原本沒有物料的上層空氣區域出現了沙子。0.8s時，大量的沙子帶到上層空氣區域。1.2s左右，葉片轉到初始位置，沙子在重力作用下向下運動。在整個過程中，由通氣口向桶內吹氣，沙子在氣流作用下沿氣流的的方向運動，在通氣口附近沙子濃度較低，但在氣流作用的末端有較大的濃度。沙子就在攪拌葉片及氣流驅動下運動，最終實現完全混合。

3.2 混合過程濃度場分析

在坐標（0，350，400）處加入與流場相同特性的示蹤劑KCL，示蹤劑KCL對物料流動沒有影響，觀察其濃度變化。模擬結果如圖4。所示：

從圖中可以清楚地看到示蹤劑在混合設備內的分散過程。前15s，示蹤劑擴散極其迅速；在30s時，在槳葉的攪拌作用驅動下沿切向和軸向流動，示蹤劑已經擴散到混合設備得另一端；在40s左右，物料混合已經比較充分。

示蹤劑在槳葉的攪拌作用下沿切向和軸向方向流動，形成對流混合；槳葉及其附近區域的示蹤劑在槳葉的作用下，彼此之間形成剪切層，各示蹤劑顆粒之間相互碰撞和滑動，受到很大的剪切力作用，形成剪切混合；在對流、剪切以及擴散等多種混合作用下示蹤劑濃度逐漸達到均勻。

4.3 混合過程速度場分析

通過對流場的有限元模擬可以直觀地得到混合過程中速度場分布情況，混合過程速度模擬結果如圖5所示。從圖中可以看出，物料的運動速度沿徑向逐漸增大，在外側槳葉作用下速度達到最大，靠近攪拌軸以及攪拌臂部分速度最小，且在通氣口位置的物料有較大的速度。物料在混合設備內的整體流動趨勢以沿攪拌槳葉轉動的環流為主，同時在攪拌槳葉處產生湍流，可使物料加快混合。

5 結束語

5.1 在論述商品砂漿混合過程有限元模擬流程的基礎上，通過合理簡化，建立了混合設備三維實體模型，并采用ANSYS軟件進行網格劃分，建立了混合過程有限元模型。

5.2 基于有限元模型對商品砂漿混合物理過程進行了模擬分析，研究了混合過程流場內物料體積分布、混合過程濃度場分布、混合過程速度場等物理現象。研究結果表明：混合設備內物料的運動速度沿徑向逐漸增大，在外側槳葉作用下速度達到最大，靠近攪拌軸以及攪拌臂部分速度最小，且在通氣口位置的物料有較大的速度。

5.3 通過本研究工作能夠掌握商品砂漿物料混合過程的各個物理現象及其發展過程，有助于對商品砂漿混合物理過程的深刻理解，從而為混合設備結構參數的優化設計和新設備的研制提供理論依據和技術指導。

參考文獻

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[2]田冰.固體混合設備原理與選擇[J].裝備應用與研究，2010，281（35）：23-30.

[3]向再勵.攪拌機設計和使用中主要參數的選取[D].西安：長安大學，2008.

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[5]G.L. Lane，M.P. Schwarz，G.M. Evans. Predicting gas-liquid flow in a mechanically stirred tank[J]. Applied Mathematical Modeling 2002，26： 223-235.

[6]Lanre M.Oshinowo，Andre Bakker. CFD modeling of solids suspensions in stirred tanks[J]. Computational Modelling of Materials，Minerials and Metal Processing，2001，205-215.

[7]孫紀寧.ANSYS CFX 對流傳熱數值模擬基礎應用教程[M].北京： 國防工業出版生社，2010（4）.

作者簡介：聶夢龍，男，在讀碩士研究生，研究方向：機械制造及其自動化。