專利名稱：混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攪拌筒內(nèi)攪和料建模方法，具體是一種混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法。用于建筑工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混凝土攪拌車攪拌筒設(shè)計(jì)中，必須對攪拌筒的攪拌機(jī)理有深入的了解。由于混凝土是一種固液混合的粘性物質(zhì)，攪拌筒內(nèi)混凝土的流動可以視作是由沙子、石塊和流體所組成的一個多相流系統(tǒng)的運(yùn)動，屬于一種復(fù)雜的密相多相流系統(tǒng)。因此攪拌過程中混凝土攪和料的流動形態(tài)十分復(fù)雜。該類系統(tǒng)中顆粒間的相互作用對顆粒的運(yùn)動形態(tài)乃至整個流場都有著不可忽略的影響。通常的兩相流模型對于解析密相顆粒的流體-固體兩相流并不適用。目前國內(nèi)外對于該類問題采用基于碰撞概率的串形軌道跟蹤法以及已沖量計(jì)算為根本的黏接-滑移碰撞模型等。但這些模型都把顆粒間的碰撞看成是瞬時的、兩個粒子之間的彈性碰撞。但在實(shí)際問題中，兩相流中存在著多顆粒同時相互碰撞，而且碰撞也并非是瞬時的完全彈性碰撞。
目前在混凝土攪拌車攪拌簡的設(shè)計(jì)中，主要方法有1.基于物料在螺旋葉片上的攪拌出料機(jī)理模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。如楊紀(jì)明提出的物料下滑角與螺旋葉片螺旋角的臨界線圖。該方法主要從出料的角度來計(jì)算攪拌筒螺旋葉片的參數(shù)，并未考慮混凝土離析的情況。2.基于離散單元法的粒子沉降和離析數(shù)值模擬。即采用離散單元法建立攪拌筒內(nèi)的粒子模型，并在攪拌筒旋轉(zhuǎn)邊界條件下獲得粒子的進(jìn)化過程。該方法只是單獨(dú)使用離散單元法建立粒子(攪和料的顆粒相)模型，并未與兩相流相結(jié)合建立攪拌筒內(nèi)攪和料的真實(shí)模型。3.基于試驗(yàn)?zāi)Ｊ降碾x析度分析設(shè)計(jì)。Hill，K.M等在“Pattern evolution of granular mediarotated in a drum mixer(粒子在旋轉(zhuǎn)攪拌筒內(nèi)的分布變化規(guī)律)”(MaterialsResearch Society Symposium-Proceedings，v 463，Statistical Mechanicsin Physics and Biology，1997，p 227-232)(材料研究學(xué)術(shù)研討會-物理和生物統(tǒng)計(jì)力學(xué)，會議論文集，463卷，227-232頁，1997)中采用CCD攝像機(jī)和核磁共振的方法獲取攪拌筒攪動時的粒子進(jìn)化過程圖像，以得到攪拌筒內(nèi)攪和料的離析模型。該方法需要投入大量的時間進(jìn)行試驗(yàn)并分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)周期長、反復(fù)試驗(yàn)的成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，提供一種混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法，將離散單元法拓展到三維流固兩相流的數(shù)值模擬中，建立基于離析度最小為主要評價的混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料密相兩相流的顆粒群軌道柔性模型。該模型改變了以往通用的兩相流模型無法真實(shí)解析攪拌筒內(nèi)攪和料的密相多相流的瓶頸，可以采用數(shù)值模擬的方法對攪拌筒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，方法如下對于攪拌筒內(nèi)攪和料復(fù)雜的密相多相流系統(tǒng)，結(jié)合離散單元法，并將其拓展到三維流體-固體兩相流的數(shù)值模擬中，建立一種基于柔性化建模的顆粒群軌道柔性模型，即采用兩相耦合的納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程模擬流體連續(xù)相，同時運(yùn)用離散單元法模擬顆粒離散相之間的相互作用，顆粒與顆粒的碰撞采用離散單元法進(jìn)行柔性化建模，實(shí)現(xiàn)對攪和料的三維流固兩相流的數(shù)值仿真，最終達(dá)到對攪拌筒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步的說明，具體內(nèi)容如下1、所述的兩相耦合的納維-斯托克斯方程，具體如下由于固體顆粒相的存在，必然會對流體相的流動產(chǎn)生影響。因此，流體相模型中必須加入流體-顆粒兩相相互作用而產(chǎn)生的附加源相，以表達(dá)離散顆粒相對連續(xù)流體相的反作用耦合現(xiàn)象。
兩相耦合的納維-斯托克斯方程與一般納維-斯托克斯方程的區(qū)別在于把顆粒對流體的作用看成是動量方程中的附加源項(xiàng)Sp，即方程的動量守恒方程為∂(ϵρui)∂t+(▿·ϵρuiuj)=-ϵ▿p-(▿·ϵτ)+ϵρgi+Sp---(j=1,2,3)]]>計(jì)算附加源項(xiàng)Sp時將作用于流體上的總作用力分配到包圍顆粒的計(jì)算網(wǎng)格體或結(jié)點(diǎn)上。因此，上式中的Sp(N/m3)的表達(dá)式如下
Sp=-1VΣi=0NpartV→pβ(1-ϵ)(u→-v→i)δ(r-ri)dV]]>其中r為粒子在空間上的位置，δ函數(shù)是為了保證作用力在系統(tǒng)中是作用在粒子位置上的一個點(diǎn)力而存在。
對于流固兩相流問題的流場計(jì)算，采用壓力連接方程式的半隱式算法(SIMPLE算法)，即利用質(zhì)量守恒方程使假定的壓力場能不斷的隨迭代過程的進(jìn)行而得到改進(jìn)。
2、所述的運(yùn)用離散單元法模擬顆粒離散相之間的相互作用，具體實(shí)現(xiàn)如下將顆粒體間的碰撞視為非彈性的柔性碰撞，并有摩擦力存在。運(yùn)用離散單元法將球體空間接觸時的相互作用簡化為彈簧、阻尼器和滑動摩擦器，粒子間的接觸力包含彈性力、阻尼力和滑動摩擦力，并考慮流體相對顆粒的作用力，利用牛頓第二運(yùn)動定律及歐拉方程，可將離散單元法中顆粒的運(yùn)動方程式修正為mpdV→pdt=Σk=1NpF→pk+F→oj+F→g---(j=1,2,3)]]>Iidω→jdt=Σ(rj×F→abτ)---(j=1,2,3)]]>其中 為由重力及浮力的合力(F→oj=gj(ρp-ρ)ρp),]]> 為流體對顆粒的作用力，包括曳力 升力、馬格納斯(Magnus)力、虛假質(zhì)量力、壓力梯度力等，但大多數(shù)情況下，除曳力(也稱為阻力)外的其它各力都不是很重要，可以忽略不計(jì)。曳力 的表達(dá)式為f→D=β·Volp1-ϵ]]>其中Volp為顆粒體積。
當(dāng)ε＜0.8的時候，β由歐根(Ergun)方程決定β=150(1-ϵ)2ϵμ2R2+1.75(1-ϵ)ρg2R(uj-V→p)]]>對于ε≥0.8的情況，β由下述表達(dá)式定義
β=34Cdϵ(1-ϵ)2Rρg(uj-V→p)ϵ-2.65]]>其中μ為流體動力粘度，ρp為顆粒密度，Cd為曳力系數(shù) 其中顆粒雷諾數(shù)Rep=ϵρ|u→j-V→p|Dpμ.]]>在某些情況下， 作為流體對顆粒的作用力，除了曳力 外，其中包含的其它作用力可能也很重要。這些“其它”作用力中的最重要的一項(xiàng)是所謂的“虛假質(zhì)量力(附加質(zhì)量力)”。它是由于要使顆粒周圍流體加速而引起的附加作用力。虛假質(zhì)量力 的表達(dá)式為F→xj=12ρρpddt(u→j-V→p)]]>當(dāng)ρ＞ρp時，虛假質(zhì)量力不容忽視。流場中存在的流體壓力梯度引起的虛假作用力為F→xj=(ρρp)V→p∂udx]]>3、確立流體相和固體相之后，兩相流采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法作為數(shù)值求解器。
有限體積法(FVM)是伴隨有限差分法出現(xiàn)的，它能像有限元(FEM)一樣適用于任意的不規(guī)則網(wǎng)格，且著眼于控制體上的逼近，具有守恒性，又能像特征化方法(MOC)格式一樣具有以特征為基礎(chǔ)的逆風(fēng)性。并且，處理效率與有限差分方法(FDM)相近，而遠(yuǎn)高于FEM。
本發(fā)明的有益效果是基于顆粒群軌道柔性的攪和料模型既可以從宏觀上觀察混凝土整體的運(yùn)動過程，對攪拌筒的出料過程進(jìn)行解析，得出攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)對出料殘余率的影響；又能從微觀上對每個顆粒進(jìn)行追蹤，分析混凝土運(yùn)輸過程中的均質(zhì)性，得出攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)對離析度的影響。完全符合攪拌筒的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，大大降低了攪拌筒設(shè)計(jì)的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)效率，同時攪拌筒的性能也得到了優(yōu)化和提高。采用該方法設(shè)計(jì)的攪拌筒已通過標(biāo)準(zhǔn)化測試，性能達(dá)到或超過國內(nèi)一流水平，在混凝土塌落度50～70mm下，出料速度1.73m3/min，出料殘余率0.56％，砂漿密度相對誤差0.38％，粗骨料質(zhì)量相對誤差2.49％。并已投入大批量生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。


圖1是三維離散單元法的接觸模型圖2是顆粒群軌道柔性模型的計(jì)算流程3是基于顆粒群軌道柔性模型的8m3攪拌筒設(shè)計(jì)實(shí)例圖3(a)為優(yōu)化8m3攪拌筒示意圖其中，前錐段1、圓柱段2、后錐段3、前錐段螺旋葉片4、圓柱段螺旋葉片5、后錐段出口處螺旋葉片6。
圖3(b)為優(yōu)化8m3攪拌筒內(nèi)部螺旋葉片具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
三維離散單元法的基本原理是將離散相顆粒分離成離散單元的集合，利用牛頓第二定律建立每個單元的運(yùn)動方程，通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道，從而求得離散相顆粒的整體運(yùn)動性態(tài)。如圖1(a)、(b)所示，三維離散單元法將顆粒體間的碰撞視為非彈性碰撞，并有摩擦力存在。該模型把兩個球體空間接觸時的相互作用簡化為彈簧、阻尼器和滑動摩擦器。粒子間的接觸力包含彈性力、阻尼力和滑動摩擦力。
攪拌筒的設(shè)計(jì)采用參數(shù)化的方法進(jìn)行，主要包括以下幾個參數(shù)螺旋葉片的螺旋角以及圖3(a)中4、5、6的偏置角度。首先，輸入初值，螺旋角70度，4、5、6的偏置角度均為90度。優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為離析度小于或等于4。初始時，認(rèn)為顆粒在流體內(nèi)均勻分布，顆粒數(shù)為1550。然后建立拌和料的兩相流模型，密度為2800kg/m3的calcium-sulfide流體相和密度為2960kg/m3、顆粒直徑0.001m的calcium-sulfate顆粒相。計(jì)算流程如圖(2)所示。即把以上相關(guān)參數(shù)代入技術(shù)方案中給出的公式，先進(jìn)行流體相的迭代，采用兩相耦合的納維-斯托克斯方程描述的流體模型來進(jìn)行約束，迭代的計(jì)算方法采用SIMPLE算法，并采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法作為數(shù)值求解器，迭代時間步長為0.1s，求得該時步下的流場流動狀況。然后根據(jù)該流場的流動狀況運(yùn)用流體對固相的耦合作用方程來解得顆粒所受到的流場作用力。同時，采用離散單元法模型求解得顆粒間的相互作用力，并將顆粒所受到的流場作用力與顆粒間的相互作用力相疊加，運(yùn)用動態(tài)松弛迭代方法進(jìn)行顆粒群軌道的求解，從而求得該時步下的顆粒的空間分布和運(yùn)動狀態(tài)。然后，將解得的顆粒的空間分布和運(yùn)動狀態(tài)作為影響流場得顆粒源項(xiàng)導(dǎo)回到兩相耦合的納維-斯托克斯方程描述的流體模型中，重復(fù)以上步驟，進(jìn)行迭代求解，最終達(dá)到一定收斂，得到攪拌筒攪拌下得顆粒的空間分布狀況，即離析度的指標(biāo)。如果離析度值大于4，修改攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)值，重新采用技術(shù)方案中提出的方法重復(fù)上述計(jì)算過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，直到其離析度的計(jì)算結(jié)果小于等于4之后，認(rèn)為攪拌筒的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足離析度的設(shè)計(jì)要求，最終獲得如圖3所示8m3的攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)。
圖3中，8m3攪拌筒內(nèi)螺旋葉片螺旋角為78度，4、5、6的偏置角度分別為100度、85度、76度。該攪拌筒在國家標(biāo)準(zhǔn)測試中，在混凝土塌落度50～70mm下，出料速度1.73m3/min，出料殘余率0.56％，砂漿密度相對誤差0.38％，粗骨料質(zhì)量相對誤差2.49％。綜合性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
權(quán)利要求
1.一種混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法，其特征在于，對于攪拌筒內(nèi)攪和料復(fù)雜的密相多相流系統(tǒng)，結(jié)合離散單元法，并將其拓展到三維流體-固體兩相流的數(shù)值模擬中，建立基于柔性化建模的顆粒群軌道柔性模型，即采用兩相耦合的納維-斯托克斯方程模擬流體連續(xù)相，同時運(yùn)用離散單元法模擬顆粒離散相之間的相互作用，顆粒與顆粒的碰撞采用離散單元法進(jìn)行柔性化建模，實(shí)現(xiàn)對攪和料的三維流固兩相流的數(shù)值仿真，最終達(dá)到對攪拌筒參數(shù)的優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述的混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法，其特征是，所述的兩相耦合的納維-斯托克斯方程，具體如下兩相耦合的納維-斯托克斯方程把顆粒對流體的作用看成是動量方程中的附加源項(xiàng)Sp，即方程的動量守恒方程為∂(ϵρui)∂t+(▿·ϵρuiuj)=-ϵ▿p-(▿·ϵτ)+ϵρgi+Sp]]>j＝1，2，3計(jì)算附加源項(xiàng)Sp時將作用于流體上的總作用力分配到包圍顆粒的計(jì)算網(wǎng)格體或結(jié)點(diǎn)上，上式中的Sp(N/m3)的表達(dá)式如下Sp=-1V∫Σi=0NpartV→pβ(1-ϵ)(u→-v→i)δ(r-ri)dV]]>其中r為粒子在空間上的位置，δ函數(shù)保證作用力在系統(tǒng)中是作用在粒子位置上的一個點(diǎn)力。
3.如權(quán)利要求1所述的混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法，其特征是，所述的運(yùn)用離散單元法模擬顆粒離散相之間的相互作用，具體實(shí)現(xiàn)如下將顆粒體間的碰撞視為非彈性的柔性碰撞，并有摩擦力存在，運(yùn)用離散單元法將球體空間接觸時的相互作用簡化為彈簧、阻尼器和滑動摩擦器，粒子間的接觸力包含彈性力、阻尼力和滑動摩擦力，并考慮流體相對顆粒的作用力，利用牛頓第二運(yùn)動定律及歐拉方程，將離散單元法中顆粒的運(yùn)動方程式修正為mpdV→pdt=Σk=1NpF→pk+F→oj+F→g]]>j＝1，2，3Iidω→jdt=Σ(rj×F→abτ)]]>j＝1，2，3其中 為由重力及浮力的合力F→oj=gj(ρp-ρ)ρp,]]> 為流體對顆粒的作用力，包括曳力 升力、Magnus力、虛假質(zhì)量力、壓力梯度力。
4.如權(quán)利要求3所述的混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法，其特征是，所述的曳力 其表達(dá)式為f→D=β·Volp1-ϵ]]>其中Volp為顆粒體積，當(dāng)ε＜0.8的時候，β由歐根方程決定β=150(1-ϵ)2ϵμ2R2+1.75(1-ϵ)ρg2R(uj-V→p)]]>對于ε≥0.8的情況，β由下述表達(dá)式定義β=34Cdϵ(1-ϵ)2Rρg(uj-V→p)ϵ-2.65]]>其中μ為流體動力粘度，ρp為顆粒密度，Cd為曳力系數(shù) 其中顆粒雷諾數(shù)Rep=ϵρ|u→j-V→p|Dpμ.]]>
5.如權(quán)利要求3所述的混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法，其特征是，所述的虛假質(zhì)量力，它是要使顆粒周圍流體加速而引起的附加作用力，虛假質(zhì)量力 的表達(dá)式為F→xj=12ρρpddt(u→j-V→p)]]>當(dāng)ρ＞ρp時，流場中存在的流體壓力梯度引起的虛假作用力為F→xj=(ρρp)V→p∂udx.]]>
全文摘要
一種混凝土攪拌車攪拌筒內(nèi)攪和料流固兩相流的建模方法。用于建筑工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明對于攪拌筒內(nèi)攪和料復(fù)雜的密相多相流系統(tǒng)，結(jié)合離散單元法，并將其拓展到三維流體－固體兩相流的數(shù)值模擬中，建立基于柔性化建模的顆粒群軌道柔性模型，即采用兩相耦合的納維—斯托克斯方程模擬流體連續(xù)相，同時運(yùn)用離散單元法模擬顆粒離散相之間的相互作用，顆粒與顆粒的碰撞采用離散單元法進(jìn)行柔性化建模，實(shí)現(xiàn)對攪和料的三維流固兩相流的數(shù)值仿真，最終達(dá)到對攪拌筒參數(shù)的優(yōu)化。本發(fā)明大大降低了攪拌筒設(shè)計(jì)的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)效率，同時攪拌筒性能也得到了優(yōu)化和提高。用該方法設(shè)計(jì)的攪拌筒性能好，并已投入大批量生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
文檔編號B28C5/42GK1579726SQ200410018340
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者邵萌, 王安麟, 朱燈林, 梁波 申請人:上海交通大學(xué)