摘"要：以加氣混凝土攪拌機為原型，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，對攪拌機內(nèi)3種不同類型的攪拌器分別進行瞬態(tài)計算，模擬研究攪拌機內(nèi)3種不同類型攪拌器的流體流動特性和物料濃度變化，分析轉(zhuǎn)速對攪拌效果的影響。通過仿真結(jié)果比對可知，四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優(yōu)，可為加氣混凝土攪拌機的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：加氣混凝土攪拌機；流體仿真；瞬態(tài)

中圖分類號：TP391.9""文獻標志碼：B""文章編號：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行攪拌，使之均勻混合，充分反應(yīng)并及時將混合料漿注入?？騼?nèi)［1］。

攪拌機內(nèi)不同的攪拌器會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)先對攪拌器進行仿真模擬分析，從而減少前期產(chǎn)品的實驗開發(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)問題的主流CFD軟件。本文基于Fluent對螺旋攪拌器、四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器和四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器3種不同類型攪拌器進行流體仿真，從結(jié)果分析不同類型攪拌器的流場特性和不同轉(zhuǎn)速下的攪拌性能，為加氣混凝土澆注攪拌機的設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

1"攪拌機有限元模型的建立

1.1"幾何模型

為了使仿真效果更貼合實際，在建模時需要根據(jù)實際情況對加氣混凝土攪拌機進行簡化處理。簡化后的攪拌槽結(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)標準［4-5］，對四斜葉圓盤式渦輪攪拌器（ZY）和四斜葉開啟渦輪式攪拌器（MK）進行建模，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算域抽取出，并將攪拌葉片附近的流體域劃分為動域。該動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。將劃分好動靜區(qū)域的幾何模型導(dǎo)入Fluent Meshing［6］進行網(wǎng)格劃分。其中對攪拌器壁面網(wǎng)格和動區(qū)域網(wǎng)格進行局部加密處理，使仿真更加準確地反映流場性能。設(shè)置緩沖層數(shù)為3，使網(wǎng)格過渡更加順暢，提高近壁面流體的計算精度。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的實際工作過程中，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)方程和動量方程，通過壓力和相間模型耦合各相。在攪拌過程中會伴隨湍流的產(chǎn)生，故激活湍流模型并選用Realizable k-ε模型。該模型對于旋轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等流體有較好的計算精度。由于攪拌槽內(nèi)料漿的流動狀態(tài)是隨時間變化，整個流場處于非定常流動模式，選用壓力基求解器并采用瞬態(tài)（transient）計算方式。

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。高速攪拌過程中砂和水泥會處于懸浮運動狀態(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量傳遞關(guān)系。

由于使用了瞬態(tài)計算來進行仿真模擬，且攪拌槽內(nèi)的流體屬于非定常流動，故使用滑移網(wǎng)格方法處理流體域內(nèi)動域與靜域的關(guān)系。該方法在計算過程中使動域相對于靜域沿著網(wǎng)格分界面滑動，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。將動域流體的運動設(shè)置為繞攪拌軸線進行旋轉(zhuǎn)運動，靜域流體的運動狀態(tài)為靜止；為了確保滑移網(wǎng)格在計算中不出現(xiàn)負體積，靜域與動域的交界設(shè)置為interface。而后是對其他壁面的設(shè)置，其中攪拌軸表面為運動壁面（moving wall），速度大小設(shè)置與動域速度相同；攪拌葉片表面設(shè)置為運動壁面（moving wall）；流體在攪拌槽的頂部界面可以自由運動，故設(shè)置為對稱邊界（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算法來進行壓力速度耦合的計算，并使用一階迎風(fēng)格式（first order upwind）求解動量方程、體積分數(shù)、湍流動能（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對流體域進行各相初始化區(qū)域的標記，并將標記好的區(qū)域利用Patch進行局部初始化。如圖4所示，上部區(qū)域是體積分數(shù)為1的水；中間層為水和水泥的混合區(qū)域，其中水泥的體積分數(shù)為0.45，水的體積分數(shù)為0.55；底部為水和砂的混合區(qū)域，其中砂的體積分數(shù)為0.56，水的體積分數(shù)為0.44。

2"仿真結(jié)果與討論

2.1"3種攪拌器在相同時刻的攪拌效果及分析

應(yīng)用上文設(shè)置，通過瞬態(tài)計算得到螺桿式攪拌器、四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器和四斜葉圓盤渦輪-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種不同類型攪拌器在10s時刻的攪拌情況。10s時刻攪拌槽中砂的體積分數(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)均勻地分布在整個攪拌槽中；由圖5（c）可以發(fā)現(xiàn)，在四斜葉圓盤渦輪-螺桿式攪拌器攪拌10s后，砂已經(jīng)較為均勻地布滿整個攪拌槽，但上方還有部分由于形成渦流，水在這部分循環(huán)流動，使得砂難以向這部分擴散。

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，到了頂部后向攪拌槽壁面流動，最后沿著攪拌槽壁面不斷向下擴散，從而形成一個大的循環(huán)流。從圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)在攪拌槽的左、右上角形成一個小的渦流。另外兩種攪拌器則沒有生成明顯的小渦流。

為了更加直觀地對3種攪拌器的攪拌效果進行比較，在攪拌槽內(nèi)作一條采樣線段，對攪拌10s后砂在線段上的體積分數(shù)進行計算。該線段位于攪拌槽頂部向下500mm處垂直于攪拌軸的平面上，線段長1 500mm。計算后得到的砂在該線段上的體積分數(shù)分布曲線如圖7所示。由圖7中可以看到，在螺桿式攪拌器作用下，該線段上的體積分數(shù)曲線呈現(xiàn)雙峰形狀，說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。而另外兩種在該線段上的砂濃度變化平穩(wěn)，其中圓盤渦輪-螺桿式攪拌器的砂濃度分布在該線段上的一部分呈現(xiàn)斷崖式變化，說明在攪拌槽內(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：四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優(yōu)；四斜葉圓盤渦輪-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，會在左、右上角形成渦流。

2.2"轉(zhuǎn)速對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700r/min、800r/min、900r/min這3種轉(zhuǎn)速條件下的螺桿式攪拌器進行瞬態(tài)仿真計算，得出10s時刻不同轉(zhuǎn)速條件下攪拌槽中砂的體積分數(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。這說明攪拌轉(zhuǎn)速并不能使這一流場發(fā)生改變。從圖8（a）和圖8（b）的對比可以看出隨著轉(zhuǎn)速的提高，砂的濃度分布更加均勻。

為了更加直觀地分析攪拌轉(zhuǎn)速對攪拌效果的影響。同樣作一條與2.1內(nèi)容相同的線段來進行砂體積分數(shù)的采樣對比，得到不同轉(zhuǎn)速下砂在該線段上的體積分數(shù)變化曲線，如圖9所示。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為700r/min時，砂的濃度變化幅度最大；當(dāng)轉(zhuǎn)速提升至800r/min時，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，砂并沒有因為轉(zhuǎn)速的提高而使得濃度分布得到較大的改善。

3"實驗

根據(jù)上述設(shè)計研究對3種攪拌器進行樣機的試制，試驗樣機如圖10（a）所示。通過試制混凝土并測量其擴展度來進行驗證。試驗條件是水、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），裝滿后緩慢抬起模具，讓料漿自由流動擴散；最后，測量料漿擴散后所呈圓的直徑，即料漿的擴展度。料漿擴展度測量如圖10（b）所示，測量結(jié)果如表1所示。

通過實際生產(chǎn)經(jīng)驗可知，攪拌獲得的混凝土擴展度在［220，240］mm內(nèi)時才能進入下一道工序。由表1可以看出，通過四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器獲得的混凝土擴展度平均值最高，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

通過對選取的3種不同樣式的加氣混凝土攪拌器進行10s的瞬態(tài)數(shù)值模擬，對比分析了不同攪拌器對應(yīng)的物料組分濃度場以及在不同轉(zhuǎn)速下螺旋攪拌器的組分濃度場變化，通過試驗得出以下結(jié)論。

1）在相同轉(zhuǎn)速下，四斜葉開啟渦輪-螺桿式攪拌器的攪拌效果最優(yōu)，四斜葉圓盤渦輪-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，但提升的幅度會慢慢降低。

參考文獻：

［1］ 曹曉暢，齊國良，王文昌. 澆注攪拌機內(nèi)部流體均混時間模擬研究［J］. 科技與創(chuàng)新，2020（3）：16-17，21.

［2］ 李進，石秀東，汪晨，等. 蘇氨酸發(fā)酵罐內(nèi)不同攪拌槳組合下流場模擬［J］. 輕工機械，2019，37（6）：32-38.

［3］ 王健生，鐘易成. VOF在兩相流交界面捕捉的應(yīng)用［J］. 機械制造與自動化，2021，50（6）：129-134.

［4］ HG/T 3796.4—2005 開啟渦輪式攪拌器［S］.

［5］ HG/T 3796.5—2005 圓盤渦輪式攪拌器［S］.

［6］ 崔亮. 基于ANSYS FLUENT Meshing的復(fù)雜模型網(wǎng)格劃分［J］. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2014（4）：56-58.

［7］ 閆文標. 基于FLUENT三種多相流模型的選擇及應(yīng)用說明［J］. 云南化工，2020，47（4）：43-44.

［8］ 張儀，李兵，白玉龍，等. 液固流態(tài)化動態(tài)過程中相間作用力的數(shù)值模擬及實驗驗證［J］. 化工學(xué)報，2020，71（11）：5129-5139.

收稿日期：20221107