混凝土泵车输料管中两相流数值模拟研究

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发布时间：2021-09-17

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混凝土泵车输料管中两相流数值模拟研究★
口郭大猛口刘杰口陈秀峰
东北大学机械工程与自动化学院沈阳110004
摘要：混凝土泵车输送管中的混凝土流动为典型的两相流，目前对其流动特性研究只能通过半经验的实验方法。
通过建立基于双流体混凝土两相流模型，进行了输料管多相流场的数值模拟，为混凝土泵车输料管数字化设计和输送性
能研究提供了定量化、可视化的设计模型。对混凝土泵车输料管设计和浇筑实验提供了理论基础。
关键词：混凝土泵车输料管两相流数值模拟
中图分类号：0242．1；0359 文献标识码：A 文章编号：1000—4998(2009)10—0025—03
由于在浇筑过程中输料管内的混凝土属于典型的
两相流，在较高的工作压力下，会对臂架产生很大的冲
击振动，所以研究混凝土砂浆的流动对臂架系统的影
响是很有必要的。传统求解两相流的方法主要有两种：
一是建立两相流的数学模型，经过复杂冗长的化简后
求出其解析解；二是通过实验和经验公式来解决两相
流问题。但是由于流体流动特性比较复杂，实验方法比
较复杂和昂贵，因此数值模拟被广泛地应用于流体特
性的研究。计算流体力学(CFD)是一门用数值计算方
法直接求解流动控制方程以发现各种流动现象规律的
学科。国外飞机厂商用计算流体力学取代大量实物试
验，减少了风洞试验。因此，数值模拟研究能够揭示流
体流动的特性。近年来，国内外对多相流的研究大部分
仍是采用模型化数值模拟的方法。】。
目前，在泵车混凝土输送两相流研究中，为满足混
凝土在不同方向的流畅泵送要求，通常事先进行泵送
实验。这种半经验的方法，可以分析出宏观参数对泵送
性能的影响，并能得出一些可以指导工程设计的重要
结论。但是这种方法采用经验性的分析和反复的实验
来确定，没有以流动原理和数值解析作为理论依据，因
此设计性能无法达到最优，并且周期长，反复试验成本
高【～I。
本文以混凝土泵车输料管中的输送介质为研究对
象，分析了模型的适用性后，采用流体有限体积法，以
输料管为边界，在湍流模型的基础上将泥浆和固体颗
粒分别处理为两种密度不同的流体，进行了基于双流
体模型的输料管多相流场的数值模拟，为混凝土泵车
输料管数字化设计和输送性能研究提供了定量化、可
视化的设计模型。
1 混凝土泵车输料管系统的两相流
混凝土泵车臂架上的输料管是从中心回转接头穿
-k国家自然科学基金资助项目(编号：50775029)
收稿日期：2009年4月
机械制造47卷第542期
过转台后，再穿过转
台立柱与第一节臂
铰接，输料管沿臂架
方向分别固定在各
节臂杆上，各节臂杆
的输料管又通过回
转接头与相邻臂杆
的输料管相连，沿臂
杆两侧直通臂架末
端。混凝土泵车的输
料管包括直管、弯
管、锥管及软管和管
卡等，臂架上输料管
的布置如图1所示。混凝土由车载混凝土泵推入输料
管，在压力的作用下沿管道输送到指定位置。
混凝土砂浆在输料管道中的流动为典型的固液两
相流问题，可以认为它是一种宾汉流体。虽然混凝土仅
是固体和液体两相，但是由于其中固体颗粒的尺寸大
小不一，并且以一定的比例混合而成，包括水、胶凝材
料、砂石等，所以属于密相多相流的范畴。
混凝土在输料管入口处的速度为：
。= — 4 Q (1)
式中：p为混凝土泵车的排量；r／为液压泵的主容积效
率，取0．96到0．98之间；d为输料管的直径。
固相入口的体积分数与混凝土类型有关，由于要
输送的混凝土经过搅拌，水泥浆和固体颗粒混合比较
均匀，所以人口处的体积分数可认为是不变的。混凝土
在输料管中流动时雷诺数较大，因此需要作为湍流处
理，并且在管壁附近存在边界层。
2 基于Euler—Euler模型简化泵车输料管多相
流模型的分析
建立多相流模型通常使用Euler—Lagrange和Eu一