基于CFD的双块式无砟轨道道床板混凝土浇筑模拟分析

林祖东, 毕澜潇

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

随着计算流体力学(CFD)的迅猛发展和广泛运用[5]，流体流动情况的精确模拟得以实现，通过CFD软件的仿真模拟，可以较好地分析混凝土在双块式无砟轨道道床板浇筑时的流动情况，从而发现问题并为浇筑质量分析提供依据。

学者们广泛运用CFD方法对机械、水利、航天等领域的问题进行了大量模拟分析并取得了很好的效果[6-7]，模拟结果与实验结论和理论分析结果一致，验证了现在成熟的CFD方法对流动模拟、流固耦合等问题的适用性。而在土木工程领域也有一些学者运用了CFD方法来研究桥梁抗风、混凝土流动性等问题[8]。李靖祺、徐伟进行了基于 Herschel-Bulkley 流变模型的自密实混凝土流动模拟[9]，证明H-B 模型用于自密实混凝土的流动模拟是可行的；催微、宋慧芳进行了自密实混凝土流动性及浇筑过程的 CFD 数值模拟[10]，表明采用 CFD 技术可以有效实现对混凝土的流动性模拟。

本文旨在运用CFD模拟轨排法施工双块式无砟轨道道床板混凝土的过程，以获得混凝土现浇问题中可能出现的不利情况、不规范施工的后果及类似的流体浇筑问题中运用CFD模拟需要注意的要素，为以后的类似问题研究提供参考。

1 模型简介

本文选用CFD ICEM作为前处理软件，CFD Fluent作为求解器，Fluent软件是目前流体模拟引用最为广泛的软件，包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，拥有多种求解方法和多重网格加速收敛技术，能达到最佳的收敛速度和求解精度。但在本次模拟中，由于钢筋桁架结构复杂，钢筋为细长结构体，与模板和轨枕尺寸相差大，不利于网格的划分。为了在保证计算精度的条件下加快计算速度，采用二维计算，基于双块式无砟轨道道床板浇筑纵向单向浇筑的特点，截取一块轨枕处的纵截面，来简化为二维模型，这样既可以保证计算的速度与精度，又可以体现浇筑的特点。

利用ICEM建造模型划分网格，为提高网格质量，加快运算速度与精度，对二维模型进行了适当简化，利用面积等效原理，简化轨枕和钢筋桁架，建立外壁，并划分结构网格，结构网格相比于非结网格，具有计算精度高、计算速度快的优点。为减少网格数量提高计算速度，将固体域轨枕和钢筋所在块剔除，外壁尺寸为850 mm×350 mm。钢筋边长20 mm，轨枕为314 mm×146 mm，所有部件位置均与现场一致，网格数为10 015个，网格质量好。网格质量采用Determinant(3×3×3)标准表示，最大为1.0，表示最好；最小为0，表示网格最坏，一般认为大于0.3即可保证计算精度，本模型网格均大于0.95。因CFD Fluent软件为非结构网格求解器，所以在网格导出前先转化为非结构网格，这样既保证了计算速度，又能充分保障CFD Fluent求解器软件的准确性。

本模型根据现场情况设置两个入口一个出口，均位于上边界，入口Inlet1、Inlet2位置如图1所示，上边界其余边长为出口Outlet，图中栅格部分表示计算流体域，中间大矩形表示轨枕，下方多小矩形表示钢筋。

本文是多相流模拟问题，采用并行计算，二维双精度，时间非稳态，压力求解器，重力加速度为-9.81，操作气压为一个标准大气压，根据雷诺数的大小选择计算模型为Realizable k-ε 湍流模型和VOF多相流模型，流体选择空气主要相，混凝土为次要相并自行设置液态混凝土参数[9]，混凝土密度取2 300 kg/m3，粘度取22.1 Pa·s；采用PISO压强——速度关联方式，一阶迎风离散格式。

图1 计算模型

2 基本原理

CFD方法是运用计算数学的方法，把流场的控制方程离散到网格节点上，来求离散数值解的一种方法。所有流体流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能力守恒定律。在混凝土的浇筑过程中不考虑热传递与能量损失，因此只考虑质量守恒与动量守恒，对应的方程为连续性方程与动量方程(N-S方程)。连续性方程:

(1)

粘性流体流动的N-S方程可缩写为：

(2)

式中：p为压力；ρ为密度；μ为粘滞系数；▽为拉普拉斯算子。

把Fluent作为CFD软件计算的求解器[5]，Fluent采用有限体积法来进行求解计算。将混凝土看做粘性不可压缩流体。根据本次模拟的情况，选择模拟效果最好的Realizable k-ε 湍流模型。

Realizable k- ε 湍流模型的运输方程为:

(3)

(4)

C2=1.9,σ=1.2,σk=1.0

3 模拟分析

第一阶段，采用单侧入口Inlet1为速度入口，Inlet2与Outlet均设置为压力出口，采用无滑移壁面条件，壁面光滑，分别采用0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s的混凝土入流速度进行模拟计算。图2(a)～图2(c)是任取入口速度为0.4 m/s的灌注过程中不同时刻的流场物质云图。

(a)灌注初期物质云图

(b)灌注中期物质云图

(c)灌注结束物质云图

(d)震动后物质云图图2 单侧入口计算云图

由图2可知，浇筑过程中会产生气泡，形状不规则，散布在混凝土中。而对比图2(a)与图2(b)，发现气泡主要集中在入口下方，根据软件Fluent求解时设置的自动储存动画可以发现，混凝土在流动过程中会将部分气泡排出。由最终形态图2(c)可知，混凝土浇筑经过一段时间静置后部分小气泡会排出，而在轨枕下和钢筋周边则会保留一些气泡，这些气泡通过静置是无法排除的，混凝土凝固后，道床板内部就会形成空洞，影响无砟轨道的质量。最终时刻的压力分布较明显，在浇筑完成后轨枕周围最大压力可达3.5 kPa，钢筋最大压力可达4.5 kPa，所以在浇筑前一定确保各部位固定好，提高钢筋桁架稳定性，以防浇筑中或者浇筑后产生偏移影响道床板工作性能。

通过编写Profile文件，对流体域施加一个x轴正负向反复快速变化的速度，通过施加正弦速度来模拟施工中的振捣，基于图2(c)形态进行振捣模拟，最终流场如图2(d)所示。经过振捣，减小了混凝土的孔隙比，能够适当地排除一些气泡，但不能将气泡完全排出，尤其是大气泡。

分析流场云图图2，在图中的主要相空气与次要相混凝土的交界处，即气泡周边上，依据气泡几何特征取若干点，用所取得点来估算该气泡的面积，进而估算出某时刻流场中混凝土内的气泡总面积，用气泡总面积与该时刻浇筑混凝土总量的比值来表示某时刻混凝土的孔隙比，绘制出光滑边界孔隙比图图3(a)，来反映不同的混凝土入流速度条件下，各个入流阶段流入混凝土中空气占比。

第二阶段，改变壁面条件，将外壁、轨枕、钢筋边界设置为粗糙边界，其他设置与第一阶段相同，再次进行模拟计算。得出粗糙边界孔隙比图图3(b)。分析可知，总体而言相对于其他的混凝土入流速度，速度为0.4 m/s时更容易产生气泡，特征更加明显。而相比于光滑边界模拟，粗糙边界的模拟计算所得的折线图孔隙率变化趋势更加清晰，不同阶段的变化更加稳定，建议以后运用CFD进行模拟分析时按照真实情况适当设置粗糙边界，更容易发现问题，得出比较明显的特征。另外图中曲线斜率变化进一步验证了前文结论，即空隙大多出现于入口下方，流动的混凝土会排出气泡。

(a)光滑边界孔隙比

(b)粗糙边界孔隙比图3 单入口流场各时刻孔隙比

第三阶段。改变浇筑条件，恒定浇筑速度为0.5 m/s，将Inlet1设为第一速度入口，Inlet2设为第二速度入口，Outlet仍然为压力出口。先关闭第二入口，第一入口浇筑ns后停止，再关闭第一入口，打开第二入口浇筑ms；浇筑总时长为8.8 s；壁面粗糙，其他设置与前文保持一致。得出n取不同值时，浇筑混凝土量与空隙面积之间的关系。

图4(a)、图4(b)与图4(c)为双侧入口工况里n为4.5时，不同浇筑阶段流场图，图4(a)为第一入口浇筑时物质云图，图4(a)为第一入口关闭后，第二入口浇筑时物质云图，图4(c)为浇筑完成后的流场物质云图。由图4可知，由于是双侧入口，两个入口下方都保存着大量气泡，且由于n与m值相近，造成枕下出现大面积的空洞，严重影响浇筑质量。当n取不同值时，孔隙比如图5所示，双侧入口整体孔隙比要大于单侧入口；n取3.5或4时，枕下出现了较大面积的空洞，且无法依靠混凝土的流动有效排出。所以需要遵循标准浇筑的工序，待枕下混凝土流出一定高度再移动浇筑位置。

(a)第一入口灌注时云图

(b)第二入口灌注时云图

(c)灌注结束云图图4 双入口流场云图

图5 双入口流场各时刻孔隙比

4 结论

(1)根据工程实际建立二维模型，运用CFD软件模拟分析，可以完成运用双块式无砟轨道道床板的浇筑模拟。明确的得到浇筑时混凝土的流动情况、气泡分布、压强等情况。并可以分析不同浇筑方法的结果，进一步验证了CFD对无砟轨道中流体问题模拟计算的可行性，为无砟轨道固液耦合问题提供了有效的模拟计算思路，对类似问题的研究具有一定的指导作用。

(2)双块式无砟轨道进行现浇道床板的施工中，会产生气泡，且气泡集中于入口下方与钢筋周边，在混凝土的流动区域气泡会排出，但当运用双侧浇筑时，不遵守工序时两次浇筑的结合处是空洞的常现区域，光滑边界和粗糙边界的对比可知，粗糙边界的模拟更加贴合实际，计算结果也更好。在实际工程中一定要严格按照施工步骤进行施工。

(3)二维的CFD模拟一定程度的验证了工程实际中双块式无砟轨道道床板的浇筑情况，得出了一些现场无法取得的信息，为浇筑质量的好坏提供了一定依据，并为以后类似的CFD模拟应用提供参考。但骨料的性质不能模拟，希望以后能运用适当软件模拟分析骨料在混凝土流动中的特征，同时希望能依托二维的模拟分析，进行三维模拟，进一步完善CFD在本领域的运用。