基于正交试验的新型混凝土喷嘴结构优化研究

2021-02-03郭霁贤张国强曹文斌朱彦鹏

液压与气动 2021年2期

杨蒙，郭霁贤，张国强，曹文斌，朱彦鹏

(1.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730000；2.四川航天建筑工程公司，四川成都 610000；3.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730000)

引言

混凝土结构在土木建筑工程及公路建设中发挥着重要作用，在不良地段的快速立模施工中经常使用混凝土灌浆设备进行加固，混凝土喷嘴作为混凝土灌浆设备的主要结构部件，其结构设计与工艺参数选择将直接影响喷射出的混凝土混合均匀度，进而影响混凝土灌浆施工的施工效率和加固效果。

传统混凝土喷嘴的进风道是与喷嘴轴线成一定夹角的沿轴线圆周均布排列的多个斜向小孔，夹杂着速凝剂的高速气流通过斜向小孔喷入喷嘴，将流过的混凝土打散、分离[1]。但是拌制好的成熟混凝土在喷嘴内输运的物理状态极为复杂，且易受混凝土自身性质等多种因素影响，使混凝土在与速凝剂混合时容易形成大小不均匀的黏性胶质团，导致喷嘴出口出料不稳定，产生流量脉动，严重时甚至造成堵管[2]。现有喷嘴的优化设计多以湿喷机为应用背景开展相关研究，主要基于传统结构，在泥浆管入射角、混合管与变径管的长度及聚料管直径等方面对喷嘴出口混凝土混合均匀度的影响进行分析[3]，并没有针对混凝土喷嘴研究改变其结构对混合效果的影响。为此，本研究设计了一种自混合的混凝土喷嘴，喷嘴的使用方式与传统喷嘴相同，但是该型喷嘴可以减少黏性胶质团的形成，降低出料脉动和堵管的可能性。通过使用正交试验法，利用Fluent仿真软件对不同结构参数的喷嘴进行数值模拟，以提高喷嘴出口成分混合均匀度为优化目标，得到新型喷嘴结构参数的最佳组合[4]。

1 喷嘴结构初步设计

1.1 传统喷嘴结构

传统混凝土喷嘴结构及内部结构如图1、图2所示，现有喷嘴的优化设计多以湿喷机为应用背景开展相关研究，主要以圆周设置进气口为传统混合结构，在泥浆管入射角、预混合管的长度、变径管的长度、聚料管直径等方面对喷嘴出口混凝土混合均匀程度进行分析。存在混凝土料流被冲击集中于喷嘴中心，无法混合速凝剂，导致速凝剂直接排出，危害操作工人健康等问题[5]。

1.直管 2.引气环 3.混合芯 4.卡环 5.前部聚敛段 6.聚料口图1 传统混凝土喷嘴结构图

图2 传统混凝土喷嘴的内部结构

1.2 新型喷嘴结构设计

针对改善混凝土混合均匀度的问题，本研究提出了一种新型混凝土喷嘴结构，研究改变其混合结构参数对混凝土混合效果的影响。

新型喷嘴结构如图3所示，在喷嘴的使用过程中，混凝土拌合料流通过连接头7进入喷嘴中，而速凝剂与压缩空气经混合后通过进气口进入混合器6；气流通过设置在混合器6上的通孔单元进入混合腔；与混凝土拌合料进行混合；利用空气与混凝土的推力将混凝土料流向前输送，通过喷管1喷出。

1.喷管 2.混合柱 3.混合腔 4.垫片 5.内六角螺栓 6.混合器 7.连接头图3 新型喷嘴设计结构图

通过设置椭圆柱混合器6，并在混合器上设置垂直于混合器中心轴线的通孔，在喷嘴内设置沿圆周方向错位、间隔均匀分布的混合柱2，使压缩空气和速凝剂的混合物与混凝土在喷嘴内混合，混合物在流过混合柱2时，可以进行二次混合，减少黏性胶质体料团的形成，提高混合均匀度。图4为新型喷嘴混合器结构剖视图。

图4 新型喷嘴混合器结构剖视图

2 数值模拟

2.1 三维模型建立及网格划分

图5所示为新型喷嘴三维模型。将建立的三维模型导入Workbench中进行流体域模型抽取，再将流体域模型导入ICEM中进行流体域模型网格划分。采用非结构网格划分并简化模型结构以减少计算量，全局网格尺寸为6 mm，部分结构加密网格最大为1 mm，喷管的管壁均设置5层初始厚度为1 mm，增长率为1.2，最大厚度为1.5 mm的边界层，网格质量均在0.2以上。新型喷嘴流体域的网格模型如图6所示。

图5 新型喷嘴三维模型

图6 新型喷嘴流体域三维网格模型

2.2 基本假设

由于喷嘴内部的混凝土流动是一个极为复杂的多相流混合过程，为便于计算作如下假设[6-8]：

(1) 将喷嘴内流体视为定常流动；

(2) 忽略喷嘴内砂、碎石之间的碰撞以及砂、碎石与喷嘴壁面之间的相互作用力；

(3) 忽略混凝土中各项之间的化学反应以及混凝土料流与喷嘴壁面之间的热量交换；

(4) 将拌制好的混凝土视为各项同性的液体。

2.3 边界条件

采用mixture模型和k-ε模型中的标准模型，基于压力求解器求解[9]。混凝土流体密度为2500 kg/m3，混凝土动力黏度为32 N·s/m2。根据混凝土喷嘴实际使用工况，混凝土料流流量约为5 m3/h，通过流场连续性等方程计算分析，得出喷嘴内粗/细骨料与水泥浆等组成的混凝土流体速度为0.2448 m/s，混凝土流体进口设置为速度入口；空气和速凝剂混合物进口设置为压力入口，表压为0.1 MPa，空气和速凝剂的体积比为95∶5；喷嘴出口设置为压力出口，表压为0；压力速度耦合方案使用SIMPLE算法，计算进出口质量流量差为±0.01 kg/s。

3 正交试验

通过分析，确定可能影响喷嘴混合效果的参数如下：

(1) 喷管的总体混合长度、设置在喷管中的混合柱间距和近出口处混合柱与出口间的距离；

(2) 出口直径；

(3) 速凝剂和空气喷出小管与XY面间的夹角；

(4) 混合柱的个数与夹角。

根据上述分析对混合器内部参数采用正交试验法的方式进行优化设计。选择有效长度、出口直径、喷射角度与混合柱个数作为试验研究的主要影响因素，每个因素取3水平，试验方案及数值模拟结果如表1所示[10]。由于速凝剂在喷出的混凝土流体中的含量只有5%，与另外两种成分相比含量差距悬殊。因此，本研究忽略混凝土中的速凝剂，用空气在混凝土中的均匀度来表征喷嘴中混合流体的均匀度：

表1 试验方案及数值模拟结果

(1)

(2)

(3)

式中，H——出口均匀度,%

S——x的标准偏差

x——喷嘴出口端面空气体积分数

xi——喷嘴出口端面空气体积分数均值

由表1所得数值计算结果可知，试验8的混合均匀度最高，为70.26%。表2为对正交试验数值模拟结果进行的极差分析，其中R值为极差值，表示该因素对数值计算结果的影响程度，极差值R越大，则该因素对试验结果的影响越显著；x1,x2,x3为水平1,2,3的均值[11-12]。

表2 数值模拟结果极差分析

由表2可知，4个因素对混合均匀度影响的主次顺序为A>B>C>D，即喷嘴有效长度对混凝土混合均匀度的影响最为显著，出口直径与喷射角度对混凝土混合均匀度的影响程度基本持平，混合柱个数对混凝土混合均匀度的影响较弱。

不同因素与水平对混凝土均匀度的影响如图7所示，在A3,D3时可以得到最佳混合均匀度，在B2时得到最佳混合均匀度，在C1时得到最佳混合均匀度。

图7 不同因素与水平对混凝土混合均匀度的影响趋势

综上所述，正交试验的最佳组合为A3,B2,C1,D3，喷嘴有效长度为475 mm,出口直径75 mm,喷射角度50°，混合柱均布设置为6个，确定第8组试验为最优方案。

4 优化前后数值模拟结果对比

传统喷嘴模型出口均匀度为60.57%，新型喷嘴优化后模型的出口均匀度为70.26%，均匀度提高了9.69%，由此可知相比于传统喷嘴，新型喷嘴的混合效果更好。主要原因为：

(1) 混合器设置在喷嘴混凝土流道内，而且在混合器上设置了3组垂直于混合器中心轴线的通孔，可以充分打散流动中的混凝土料流，形成悬浮状；

(2) 喷管内设置了沿圆周方向错位、间隔均匀分布的混合柱，可以进一步的对速凝剂与混凝土的搅拌，减少黏性胶质团的形成，提高了混凝土与速凝剂的混合均匀度。

图8、图9分别为空气、混凝土体积分布云图。传统喷嘴出口端面空气与混凝土体积分数云图呈环形分布，由于传统喷嘴进气口沿管壁圆周分布设置，因此导致高速气流冲击混凝土，使混凝土主要集中在流场中心部位，而压缩空气分布在圆周外围，靠近圆心处的混凝土无法与压缩空气相互接触，容易形成黏性胶质团，导致喷嘴出口出料脉动，严重时引发喷嘴堵塞；新型喷嘴出口端面混凝土部分集中在管壁两侧，压缩空气分布在喷管中心，新型喷嘴的混凝土相分布更均匀，压缩空气可以深入到混凝土内部，且由于存在混合柱，减少了混凝土黏性胶质团的形成，降低流量脉动。