曹源文+肖偉+王凡宇+王棋

摘要：為了使摻入PVA 纖維的水泥混凝土攪拌得更加均勻，以某PVA纖維束雙臥軸攪拌分散設備為研究對象，利用Fluent軟件對PVA纖維束雙臥軸攪拌器的攪拌分散過程進行數值模擬，研究葉片間距、攪拌軸距和轉速對攪拌流場的湍流強度和壓力分布的影響。結果表明：減小葉片間距、減小攪拌軸距和增大攪拌轉速對纖維攪拌分散有利；同時，對PVA纖維束進行流體參數估算，為纖維束攪拌流場仿真分析提供參數依據。

關鍵詞：PVA纖維；雙臥軸攪拌器；Fluent；數值模擬

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：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，通過摻入 PVA 纖維增強水泥混凝土的韌性是熱門研究課題。國內外的諸多試驗研究表明[14]，水泥基復合材料中摻入 PVA 纖維，可有效改善水泥基復合材料的抗裂性能，還可以顯著提高混凝土的劈裂抗拉強度，改善水泥混凝土的變形和破壞特性[5]。PVA 纖維對混凝土的抗沖擊、抗滲、抗收縮性能以及彎曲韌性也有一定程度的改善作用[6]。

PVA纖維是一種直徑僅有幾微米，且成束整體存在的材料，它在水泥混凝土中難以均勻分散，這會影響PVA纖維水泥基復合材料的性能，也會限制PVA纖維作為功能材料的推廣應用。因此，在PVA纖維摻入水泥混凝土之前，需要將PVA纖維束分散成一根根的條狀，形成均勻良好的網狀結構，這是PVA纖維與水泥混凝土材料拌和均勻后發揮其作用的關鍵[79]。

本文以安徽某工地的PVA纖維束雙臥軸攪拌分散設備為研究對象，基于Fluent軟件，研究在不同攪拌葉片間距、不同攪拌軸距以及不同攪拌轉速下[10]，PVA纖維束雙臥軸攪拌器的流場變化情況，為PVA混凝土的生產提供有益借鑒。

1攪拌器流場的理論基礎

1.1流體介質的密度

本文中攪拌分散流體介質為安徽皖維集團產的混凝土用改性PVA纖維。在攪拌分散中，懸浮體為纖維和空氣的混合物。其體積分數φb和質量分數ωb有如下關系

φb=ρωbδ（1-ωb）-ρωb（1）

式中：ρ為空氣密度，取1.125×103 kg·m-3；δ為纖維密度，取1.3×103 kg·m-3。

懸浮體的密度是指單位體積內空氣與分散介質的質量之和，也稱物理密度，用ρs表示，計算公式為

ρs=φbδ+（1-φb）ρ（2）

假設PVA纖維束在分散機構內部均勻分布，入口流量和出口流量相同，即流場達到了穩態，計算得出流場內懸浮體的密度ρs=38.23 kg·m-3。

1.2流體介質的粘度

將布爾運算抽取的流體域模型導入CATIA軟件測量其體積，即流場體積v。根據質量守恒定律可得

ρv1=δv2=ρsv（3）

式中：v1為攪拌室纖維束體積，v1=7692×10-4m3；v2為攪拌室內空氣體積，v2=0049 m3。

愛因斯坦從流體力學理論上導出的懸浮體粘度μs計算公式

μs=μ（1+2.5v1/v2）（4）

式中：μ為空氣的動力粘度，在 0 ℃和1 atm條件下，μ=0.094×10-5Pa·s。

計算得：溫度為20 ℃時，纖維束懸浮體的粘度約為1917 5×10-5 Pa·s。

1.3流體流動的控制方程

流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律有：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。本文中PVA纖維束在Fluent數值模擬中為不可壓縮牛頓流體，在攪拌過程中與桶壁和葉片之間摩擦而產生的熱交換量很小，可以忽略，故可不考慮能量守恒方程。

2攪拌器模型及網格劃分

2.1攪拌器模型建立

本文以安徽某工地上的PVA纖維束雙臥軸攪拌分散設備為基礎，運用CATIA軟件建立三維實體模型，筒體的尺寸為1 300 mm×660 mm×980 mm，采用并行排列在攪拌軸上的四梯形攪拌葉片，圖1、2為攪拌葉片三維模型和實物。

2.2攪拌器網格劃分

將CATIA建立的幾何模型文件導入ANSYS Design Modeler模塊，用布爾運算分別抽取2個攪拌軸的旋轉流域和外部靜止流域，其中包裹攪拌葉片的區域為旋轉區域，其他區域均劃分為靜止區域。

保存為XT文件導入ICEM CFD中，根據流體域形狀定義入口、出口、殼體、旋轉軸，并將旋轉流域與靜止流域交界面設置成interface面。由于旋轉軸結構復雜，故采用適應能力強的非結構網格，根據空間大小以及對計算結果影響的重要程度，設置不同大小尺寸的網格，并對攪拌葉片處的網格進行加密處理，整個裝置一共劃分了575 624個網格。圖3是流場網格剖面圖。

3攪拌器三維流場的數值模擬

本文采用多重參考系法（MRF）、Realizable kε模型、二階迎風格式設置SIMPLE算法，保持默認收斂值為10-4，迭代步數為100步[8]。模擬不同攪拌葉片間距、不同攪拌軸距以及不同攪拌轉速下，PVA纖維束雙臥軸攪拌器的流場變化情況。

3.1不同攪拌葉片間距對流場的影響

為了方便對比觀察，統一湍流云圖梯度刻度。分別得到攪拌葉片軸截面湍流云圖和同軸相鄰葉片中間軸截面湍流云圖，如圖4～6分別是間距為40、50、60 mm葉片軸截面及其相鄰葉片中間軸截面的湍流云圖。

對比圖4～6可以看出，隨著葉片間距不斷增大，攪拌葉片附近流場的湍流強度不斷減弱，相鄰葉片中間剖面湍流強度的高湍動能面積也逐漸遞減，說明葉片間距越大，流場空氣相對運動速度越小，越不利于纖維的分散。所以在只考慮纖維的分散效果時，攪拌葉片的間距應該越小越好。

3.2不同攪拌軸距對流場的影響

設置攪拌軸轉速為450 r·min-1，軸距在140～200 mm之間變化，變量步長設置為10 mm，做7組對比仿真。為了對比觀察，在每組截面云圖中，把2組葉片的中心線相連接，得到7根連軸線。每根連軸線的長度即為該組仿真的軸距，在每根連軸線上沿x方向均勻取20個點，在CFDPost中建立x坐標與湍流動能的關系曲線，軸距越大，連軸線也越長，所以每組曲線長短不一，得到的位移和湍動能關系如圖7所示。

軸距為140、 150、160 mm的曲線變化規律大致相同，其中軸距為150 mm的曲線在中心點處湍動能的最大值最大。

軸距為170 mm時，在x坐標為004～0.07之間，湍動能大小相差不大，此區間內2組葉片的梯形部分開始完全重合。

軸距為180 mm時，在x坐標為007～011之間，湍動能先后達到最大值，這兩處分別對應2組葉片邊緣部分，中心點處湍動能相對略有下降。

軸距為190、200 mm的曲線變化規律與軸距為180 mm時類似，中心點處湍動能下降幅度最大，且軸距越大，下降幅度越大，說明軸距增大會減小葉片流場的運動。

綜合以上分析可知，攪拌軸距適當減小，可以增強葉片間流場運動，且軸心處流場運動最為激烈。適當減小軸距并增大葉片長度，可以增強攪拌器的分散效率。

3.3不同攪拌轉速對流場的影響

設置不同葉片間距的攪拌軸轉速從300～1 000 r·min-1變化，變量步長為50 r·min-1。模擬間距為40、50、60 mm的葉片在不同轉速時的流場最大壓力值，得到的轉速與壓力關系曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，隨著轉速的不斷增大，最大壓力會隨之增長，且增長的斜率也在不斷增大。特別是當轉速大于800 r·min-1后，最大壓力值會出現激增現象，并且葉片間距越大，激增的斜率也越大，說明轉速的增大會增加葉片對纖維的剪切力，促進對纖維的分散，同時也會增加攪拌機的功耗。

4結語

（1）對比分析了40、50、60 mm三組不同葉片間距下PVA纖維束攪拌器流場湍流強度分布，結果表明：適當減小葉片間距對纖維的分散有利。

（2）研究不同軸距的流場湍流強度分布，結果表明：葉片在旋轉剪切時，交錯重疊區域面積越大，葉片附近流場與葉片中間剖面處流場的湍流強度越小；適當減小攪拌軸距，可以增強葉片間流場運動，對纖維的分散有利。

（3）研究不同攪拌轉速與壓力的關系，從關系曲線中得出：轉速的提高會增加葉片對纖維流的剪切力，促進對纖維的分散，但是同時也會增加攪拌器的功耗。

（4）對PVA纖維束進行流體參數估算，得出懸浮體密度和粘度，為纖維束攪拌流場仿真分析

參考文獻：

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[責任編輯：杜衛華]