基于CFD-DEM耦合的混凝土泵輸送管磨損研究

童政鋼，伍 紅

(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

隨著泵送混凝土技術的不斷發展，混凝土泵車成為現代施工作業中必不可少的施工機械。混凝土泵車是把混凝土的輸送和澆筑工序綜合在一起，節省了時間和勞動力，受到越來越多施工人員的青睞。混凝土泵車在泵送混凝土的過程中不可避免的產生骨料與輸送管壁的相互接觸作用，并造成一定的磨損。闡明管道的磨損機理并進行管道壽命預測成為泵送管道選擇及優化的重要研究內容，本文將采用CFD-DEM耦合的數值模擬方法來探究泵車輸送管的磨損行為。

研究混凝土泵送產生的管道磨損的方法可根據處理流體與固體手段的不同分為：雙流體方法、擬固體方法、流固耦合方法。雙流體模型是基于歐拉-歐拉的思想建立的，并采用連續性假設，將固體相也視為一種流體。王安麟等基于雙流體模型的方法研究和分析了混凝土泵送彎管磨損機理。擬固體方法是基于拉格朗日-拉格朗日的思想建立的。該思想是將流體相視為一種固體相，并基于拉格朗日框架下求解其運動。譚援強等采用離散元的方法研究了混凝土泵送的管壁磨損，通過選擇顆粒之間合適的接觸模型建立了混凝土離散元模型，結果表明模擬結果與實際泵送過程中觀測的最易磨損位置吻合較好。而流固耦合方法是基于歐拉-拉格朗日框架下的一種計算方法。對混凝土而言，將混凝土簡化為粗骨料和砂漿，粗骨料代表固相，砂漿代表流體相。在流固耦合方法中，其流體相在歐拉框架下進行求解，而顆粒相運動在拉格朗日框架下進行求解。Tan et al.建立了CFD-DEM耦合模型研究了混凝土泵送管壁的磨損機理，用DEM模擬混凝土骨料，骨料被視為離散顆粒，用CFD模擬連續流體相。以上三種方法中，采用雙流體模型的方法來研究混凝土泵送，不能夠捕捉到顆粒相的運動行為，無法模擬離析、堵管和預測管壁磨損。采用擬固體方法模擬混凝土泵送適用于小規模泵送，能夠模擬混凝土的離析以及堵管，但不能準確模擬混凝土在輸送管的流動過程。采用流固耦合的方法模擬混凝土泵送能夠準確模擬混凝土的流動以及真實描述管道的磨損。因此，采用流固耦合方法更適用于研究管道磨損行為。

針對泵車輸送管在泵送過程中磨損研究較少，實驗方法研究管道磨損機理不僅實驗過程復雜煩瑣，而且實驗周期長，消耗大量資源。為此本文采用數值模擬的方法研究混凝土泵車輸送管的磨損行為，并對最易磨損的管道進行了使用壽命預測，以及探究了不同泵送速度對管道磨損的影響。

1 模型的建立及模擬流程

1.1 泵車輸送管模型建立

本文所研究的泵車輸送管為泵送單元附近的固定管道，如圖1所示。從混凝土泵送方向來看，泵送系統中輸送管的實際布置情況依次為：S管-彎管Ⅰ-彎管Ⅱ-錐管Ⅰ-彎管Ⅲ-錐管Ⅱ-直管。

圖1 泵車泵送單元附近的各種輸送管

1.2 網格劃分

采用UG等三維軟件構建泵送管道的三維模型，并忽略管道接口的影響；采用ICEM軟件對輸送管三維模型進行結構化網格劃分。設置全局網格尺寸為20mm，劃分的網格數量為6513個，如圖2所示。由于傳統CFD-DEM耦合方法的限制，要求網格尺度大于顆粒尺寸，因此所劃分的網格均為粗網格。

圖2 泵送輸送管網格模型

1.3 流體模型及粗骨料模型

1.3.1 流體模型

本模擬假設了混凝土由砂漿和粗骨料組成，砂漿代表流體相，粗骨料代表顆粒相。在模擬中砂漿代表流體相，并且可由Bingham模型表征。Bingham模型包括兩個流變參數，即屈服應力和塑性黏度。Bingham模型方程如下

式中：τ0——屈服應力；mp——塑性黏度；——剪切率。

本模擬設置Bingham模型中塑性黏度值為12Pas，屈服應力值為280Pa。流體相的密度設為2100kg/m3。

1.3.2 粗骨料模型

在模擬過程中，混凝土中的粗骨料簡化為規則的球形顆粒，其顆粒粒徑根據實際級配曲線進行設置，如圖3所示。在DEM軟件中設置粗骨料的密度為2600kg/m3。

圖3 粗骨料級配曲線圖

1.4 邊界條件

在CFD-DEM耦合仿真中，泵送入口設置為速度入口邊界條件，其值為0.9m/s。出口設置為壓力出口邊界條件，為了使數值模擬更接近實際泵送過程，設置出口壓力值為1MPa。管壁設置無滑移邊界條件，湍流模型選擇為Standard k-ε模型。而模擬中時間步長的設置是否合理，對計算穩定性有很大的影響，Tsuji et al.提到流體的時間步長可能為固體時間步長的10～100倍。因此，為了縮短計算時間，流體時間步長設置為1×10-4s，固體時間步長設置為1×10-6s。

1.5 磨損模型

本文采用的磨損模型為Archard磨損模型，該模型的思想為從表面移除的材料量與在表面上移動的粒子所做的摩擦功成正比。Archard磨損模型的方程如下

其中Q為材料被移除的體積，Fn為顆粒與壁面接觸的法向力（通過仿真提取），dt為顆粒沿壁面的切向滑動距離（通過仿真提取），W為初始磨損常數。

而磨損常數W的計算公式如下

其中K為無量綱常數，K的取值與潤滑條件、溫度、摩擦副材料特性等有關，一般需要通過磨損實驗獲得，并且根據接觸條件的不同在10-8～10-2之間波動，本模擬中初定無量綱常數K為8.5×10-8。H為材料的最軟表面布氏硬度值，本次模擬中H取170HBW。從而可以計算得到磨損常數W為5×10-10Pa-1。

而在EDEM中每個單元的磨損深度用以下公式表示

其中dp為EDEM中每個單元的磨損深度，A為顆粒與壁面的接觸面積（通過仿真提取）。

2 模擬結果

2.1 泵車輸送管主要磨損位置預測

圖4所示為泵車輸送管的主要磨損位置，包括S管頂部、彎管Ⅰ和彎管Ⅱ連接處外側、彎管Ⅲ頂部。圖5所示為主要磨損位置的磨損云圖，從圖中可以看出泵車輸送管的最易磨損位置為彎管Ⅰ和彎管Ⅱ連接處外側。

圖4 管道主要磨損位置

圖5 泵車輸送管道磨損云圖

2.2 主要磨損位置磨損量及磨損壽命預測

對泵車輸送管的主要磨損位置統計其平均磨損量并繪制曲線圖如圖6所示。從圖中可以看出，隨著時間增加，各個區域的磨損量也不斷增加，且彎管外側平均磨損量增加幅度最明顯。一般而言，對內徑為125mm的輸送管，當磨損量達到2mm時認為輸送管達到使用壽命，而泵車輸送管的實際使用平均壽命為700～800h。對模擬中最易磨損位置進行管道的使用壽命預測，模擬結果表明每泵送5s，彎管Ⅰ和彎管Ⅱ連接處外側的平均磨損量增加約為3.87×10-6mm。當磨損量達到2mm時，管道的使用壽命約為717.78h，與實際的管道使用壽命比較符合。

圖6 平均磨損量隨時間變化

2.3 不同速度對平均磨損量的影響

圖7所示為在相同時刻下，不同速度對主要磨損位置的平均磨損量的影響，從圖中可以看出隨著泵送速度的增加，主要磨損位置的平均磨損量也增加。

圖7 不同速度對不同位置的磨損量的影響

3 結論

1）構建了CFD-DEM耦合模型模擬混凝土泵送，并進行管道磨損分析。

2）對泵送單元附近泵送管道磨損進行了仿真，分析了不同位置的磨損量，得出結論：最易磨損位置為彎管Ⅰ和彎管Ⅱ連接處外側。隨著時間增加，各個區域的磨損量也不斷增加，且彎管外側平均磨損量增加幅度最明顯。對最易磨損的輸送管進行使用壽命預測，結果表明與實際使用壽命比較符合。

3）在相同時刻下，隨著泵送速度的增加，主要磨損位置的平均磨損量也增加。