净浆搅拌装置带孔叶片对水泥絮团影响的仿真研究

沈俊杰， 付 石， 王彩涛

（长安大学，陕西 西安 710064）

0 前言

预拌水泥净浆是二次搅拌工艺的一种， 研究表明预拌水泥净浆可以提高混凝土的均匀性， 提高混凝土的强度、耐久性等各项性能指标，因而对水泥净浆的研究具有现实意义。 净浆搅拌时拌合物经过较短的拌和时间就能在宏观层面上达到均匀，但是在微观层面上，水泥和水的体系中会受到诸如范德华力、静电引力等作用，会有水泥絮团现象的发生，导致微观层面的不均匀性发生，这就需要我们进一步对微观层面上的水泥颗粒团聚现象进行研究。 为获得精确的水泥颗粒粒径分布、浓度分布等仿真结果，在欧拉-欧拉双流体模型上加入群体平衡模型，研究搅拌的均匀性[1]。

水泥净浆搅拌装置参数对水泥絮团现象的发生有很大影响，有搅拌装置转速、搅拌时长、搅拌叶片形状等。 本文主要研究搅拌叶片形状对水泥絮凝结构的影响，GARRECHT 等提及到叶片穿孔在搅拌区域提供更大的剪切作用，更加剧烈混合分散固体和液体搅拌[2]，刘小宝等指出叶片带有通孔能够使得搅拌液的搅拌更加激烈、混乱，可以得到更好的分散效果[3]。 本文搅拌叶片形状采用带孔叶片与无通孔叶片这两种。

1 PBM 群体平衡模型

目前固液两相搅拌中多采用欧拉-欧拉模型，没有考虑到离散相粒子与粒子之间、 粒子与壁面间由于碰撞产生的聚合与破碎问题[4]，不能更好的反映离散相的空间分布特征。 本文在欧拉-欧拉模型基础上加载PBM 群体平衡模型来表达多相流离散相随着传递发生存在的粒径大小的分布[5]。 群体平衡方程为：

等号后四项分别表示离散相粒子的聚合生成、 离散相粒子的聚合消失、离散相粒子的破碎生成以及离散相粒子的破碎消失。

方程边界与初始条件是：

ANSYS Fluent 中群体平衡模型提供聚合、破碎模型，本次采用luo-model 和ghadiri-model 分别模拟水泥颗粒的聚合与破碎现象。

2 计算模型与边界条件

2.1 计算模型建立

本文建立的水泥净浆搅拌设备模型是由搅拌装置和搅拌槽组成的简化模型。 简化搅拌槽的直径为250mm、高度为300mm，槽内装有一个四叶片搅拌装置，如图1 所示。

图1 搅拌设备结构

槽体划分为搅拌装置所在流体域和静止域两部分，划分网格数量为260 528。

2.2 边界条件参数设置

本文研究的水泥净浆搅拌，可以将净浆作为不可压流体求解，因而选择基于压力的求解器“Pressure Based”。 采用默认SIMPLE 方法， 即SIMPLE 格式压力速度耦合方法。 使用k-ε 模型进行湍流计算，仿真的固液两相流场选择RNG k-ε 模型则能够满足计算要求。 采用滑移网格法（SMM）模拟搅拌装置叶片旋转，转速设置为500 r/min，时间步长设置为0.000 5。

仿真材料新建水泥颗粒密度为1 400 kg/m3， 初始化水泥颗粒尺寸为50μm， 水泥颗粒离散尺寸bin0 到bin5为897.9、503.9、282.8、158.7、89.0 以及50.0。

3 计算结果与分析

3.1 水泥颗粒分布总体特征

因为本次模拟的是水泥净浆的搅拌， 必要对流体的速度研究，图2 是轴截面速度分布情况，可以看出带孔叶片整体速度较无通孔叶片要大些， 可以说明搅拌叶片带孔时比较有利。

图2 速度分布情况

图3 是轴截面的水泥体积分数云图，通过水泥体积分数分布能够观察搅拌的最终情况如何。 无通孔叶片搅拌槽两边区域较小部分水泥体积分数比带孔叶片略小，但整体上带孔叶片水泥体积分数要大于通孔叶片， 这在一定程度上说明叶片带孔的结构比无通孔叶片结构要好。

图3 水泥体积分数分布情况

3.2 水泥颗粒絮团粒径分布

群体平衡模型模拟水泥净浆搅拌设备内水泥颗粒的团聚现象，图4 是整个计算域空间不同粒径水泥絮团粒径分布直方图。 可以看出，无通孔叶片水泥絮团粒径最终在0.8mm～0.9mm 之间数量占到80%还多些明显大于带孔叶片的60%多些， 表明无通孔叶片搅拌最终更易形成大粒径的水泥絮团结构，不利于净浆的搅拌。

图4 水泥絮团粒径分布

4 结论

本次仿真采用群体平衡模型与欧拉-欧拉模型耦合的方法对搅拌设备内水泥和水两相进行三维仿真模拟，通过模拟试验对比研究，得到以下结论：

1） 基于传统欧拉-欧拉模型的PBM 群体平衡模型，一定程度上能在微观方面上来研究水泥净浆搅拌， 研究存在的水泥絮团现象，将微观结构的演变与宏观特性联系起来。

2） 通过对比仿真研究， 能够发现带孔叶片比无通孔叶片搅拌装置更利于水泥净浆搅拌，可以有效破坏水泥絮凝结构。