PVA纖維束雙臥軸攪拌器的數(shù)值模擬

曹源文+肖偉+王凡宇+王棋

摘要：為了使摻入PVA 纖維的水泥混凝土攪拌得更加均勻，以某PVA纖維束雙臥軸攪拌分散設(shè)備為研究對(duì)象，利用Fluent軟件對(duì)PVA纖維束雙臥軸攪拌器的攪拌分散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉片間距、攪拌軸距和轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度和壓力分布的影響。結(jié)果表明：減小葉片間距、減小攪拌軸距和增大攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)纖維攪拌分散有利；同時(shí)，對(duì)PVA纖維束進(jìn)行流體參數(shù)估算，為纖維束攪拌流場(chǎng)仿真分析提供參數(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：PVA纖維；雙臥軸攪拌器；Fluent；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U415.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to make the PVA fiber evenly mixed with cement concrete， Fluent， a computational fluid dynamics software tool， was applied to conduct the numerical simulation of the scattering and stirring of PVA fiber bundles in doubleshaft mixer. The effect of blade interval， distance between the stirring shafts and mixing speed on the turbulence intensity and stress distribution of the flow field was studied. The results show that the PVA fiber is scattered more evenly when the blade interval and the distance between the stirring shafts are reduced or the mixing speed goes higher. Meanwhile， the estimate of fluid dynamics of PVA fiber bundles provides basis for the fluid field simulation.

Key words： PVA fiber； doubleshaft mixer； Fluent； numerical simulation

0引言

目前，通過(guò)摻入 PVA 纖維增強(qiáng)水泥混凝土的韌性是熱門研究課題。國(guó)內(nèi)外的諸多試驗(yàn)研究表明[14]，水泥基復(fù)合材料中摻入 PVA 纖維，可有效改善水泥基復(fù)合材料的抗裂性能，還可以顯著提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，改善水泥混凝土的變形和破壞特性[5]。PVA 纖維對(duì)混凝土的抗沖擊、抗?jié)B、抗收縮性能以及彎曲韌性也有一定程度的改善作用[6]。

PVA纖維是一種直徑僅有幾微米，且成束整體存在的材料，它在水泥混凝土中難以均勻分散，這會(huì)影響PVA纖維水泥基復(fù)合材料的性能，也會(huì)限制PVA纖維作為功能材料的推廣應(yīng)用。因此，在PVA纖維摻入水泥混凝土之前，需要將PVA纖維束分散成一根根的條狀，形成均勻良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這是PVA纖維與水泥混凝土材料拌和均勻后發(fā)揮其作用的關(guān)鍵[79]。

本文以安徽某工地的PVA纖維束雙臥軸攪拌分散設(shè)備為研究對(duì)象，基于Fluent軟件，研究在不同攪拌葉片間距、不同攪拌軸距以及不同攪拌轉(zhuǎn)速下[10]，PVA纖維束雙臥軸攪拌器的流場(chǎng)變化情況，為PVA混凝土的生產(chǎn)提供有益借鑒。

1攪拌器流場(chǎng)的理論基礎(chǔ)

1.1流體介質(zhì)的密度

本文中攪拌分散流體介質(zhì)為安徽皖維集團(tuán)產(chǎn)的混凝土用改性PVA纖維。在攪拌分散中，懸浮體為纖維和空氣的混合物。其體積分?jǐn)?shù)φb和質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωb有如下關(guān)系

φb=ρωbδ（1-ωb）-ρωb（1）

式中：ρ為空氣密度，取1.125×103 kg·m-3；δ為纖維密度，取1.3×103 kg·m-3。

懸浮體的密度是指單位體積內(nèi)空氣與分散介質(zhì)的質(zhì)量之和，也稱物理密度，用ρs表示，計(jì)算公式為

ρs=φbδ+（1-φb）ρ（2）

假設(shè)PVA纖維束在分散機(jī)構(gòu)內(nèi)部均勻分布，入口流量和出口流量相同，即流場(chǎng)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，計(jì)算得出流場(chǎng)內(nèi)懸浮體的密度ρs=38.23 kg·m-3。

1.2流體介質(zhì)的粘度

將布爾運(yùn)算抽取的流體域模型導(dǎo)入CATIA軟件測(cè)量其體積，即流場(chǎng)體積v。根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得

ρv1=δv2=ρsv（3）

式中：v1為攪拌室纖維束體積，v1=7692×10-4m3；v2為攪拌室內(nèi)空氣體積，v2=0049 m3。

愛(ài)因斯坦從流體力學(xué)理論上導(dǎo)出的懸浮體粘度μs計(jì)算公式

μs=μ（1+2.5v1/v2）（4）

式中：μ為空氣的動(dòng)力粘度，在 0 ℃和1 atm條件下，μ=0.094×10-5Pa·s。

計(jì)算得：溫度為20 ℃時(shí)，纖維束懸浮體的粘度約為1917 5×10-5 Pa·s。

1.3流體流動(dòng)的控制方程

流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律有：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。本文中PVA纖維束在Fluent數(shù)值模擬中為不可壓縮牛頓流體，在攪拌過(guò)程中與桶壁和葉片之間摩擦而產(chǎn)生的熱交換量很小，可以忽略，故可不考慮能量守恒方程。

2攪拌器模型及網(wǎng)格劃分

2.1攪拌器模型建立

本文以安徽某工地上的PVA纖維束雙臥軸攪拌分散設(shè)備為基礎(chǔ)，運(yùn)用CATIA軟件建立三維實(shí)體模型，筒體的尺寸為1 300 mm×660 mm×980 mm，采用并行排列在攪拌軸上的四梯形攪拌葉片，圖1、2為攪拌葉片三維模型和實(shí)物。

2.2攪拌器網(wǎng)格劃分

將CATIA建立的幾何模型文件導(dǎo)入ANSYS Design Modeler模塊，用布爾運(yùn)算分別抽取2個(gè)攪拌軸的旋轉(zhuǎn)流域和外部靜止流域，其中包裹攪拌葉片的區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)域，其他區(qū)域均劃分為靜止區(qū)域。

保存為XT文件導(dǎo)入ICEM CFD中，根據(jù)流體域形狀定義入口、出口、殼體、旋轉(zhuǎn)軸，并將旋轉(zhuǎn)流域與靜止流域交界面設(shè)置成interface面。由于旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用適應(yīng)能力強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，根據(jù)空間大小以及對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的重要程度，設(shè)置不同大小尺寸的網(wǎng)格，并對(duì)攪拌葉片處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，整個(gè)裝置一共劃分了575 624個(gè)網(wǎng)格。圖3是流場(chǎng)網(wǎng)格剖面圖。

3攪拌器三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬

本文采用多重參考系法（MRF）、Realizable kε模型、二階迎風(fēng)格式設(shè)置SIMPLE算法，保持默認(rèn)收斂值為10-4，迭代步數(shù)為100步[8]。模擬不同攪拌葉片間距、不同攪拌軸距以及不同攪拌轉(zhuǎn)速下，PVA纖維束雙臥軸攪拌器的流場(chǎng)變化情況。

3.1不同攪拌葉片間距對(duì)流場(chǎng)的影響

為了方便對(duì)比觀察，統(tǒng)一湍流云圖梯度刻度。分別得到攪拌葉片軸截面湍流云圖和同軸相鄰葉片中間軸截面湍流云圖，如圖4～6分別是間距為40、50、60 mm葉片軸截面及其相鄰葉片中間軸截面的湍流云圖。

對(duì)比圖4～6可以看出，隨著葉片間距不斷增大，攪拌葉片附近流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度不斷減弱，相鄰葉片中間剖面湍流強(qiáng)度的高湍動(dòng)能面積也逐漸遞減，說(shuō)明葉片間距越大，流場(chǎng)空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越小，越不利于纖維的分散。所以在只考慮纖維的分散效果時(shí)，攪拌葉片的間距應(yīng)該越小越好。

3.2不同攪拌軸距對(duì)流場(chǎng)的影響

設(shè)置攪拌軸轉(zhuǎn)速為450 r·min-1，軸距在140～200 mm之間變化，變量步長(zhǎng)設(shè)置為10 mm，做7組對(duì)比仿真。為了對(duì)比觀察，在每組截面云圖中，把2組葉片的中心線相連接，得到7根連軸線。每根連軸線的長(zhǎng)度即為該組仿真的軸距，在每根連軸線上沿x方向均勻取20個(gè)點(diǎn)，在CFDPost中建立x坐標(biāo)與湍流動(dòng)能的關(guān)系曲線，軸距越大，連軸線也越長(zhǎng)，所以每組曲線長(zhǎng)短不一，得到的位移和湍動(dòng)能關(guān)系如圖7所示。

軸距為140、 150、160 mm的曲線變化規(guī)律大致相同，其中軸距為150 mm的曲線在中心點(diǎn)處湍動(dòng)能的最大值最大。

軸距為170 mm時(shí)，在x坐標(biāo)為004～0.07之間，湍動(dòng)能大小相差不大，此區(qū)間內(nèi)2組葉片的梯形部分開(kāi)始完全重合。

軸距為180 mm時(shí)，在x坐標(biāo)為007～011之間，湍動(dòng)能先后達(dá)到最大值，這兩處分別對(duì)應(yīng)2組葉片邊緣部分，中心點(diǎn)處湍動(dòng)能相對(duì)略有下降。

軸距為190、200 mm的曲線變化規(guī)律與軸距為180 mm時(shí)類似，中心點(diǎn)處湍動(dòng)能下降幅度最大，且軸距越大，下降幅度越大，說(shuō)明軸距增大會(huì)減小葉片流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)。

綜合以上分析可知，攪拌軸距適當(dāng)減小，可以增強(qiáng)葉片間流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，且軸心處流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)最為激烈。適當(dāng)減小軸距并增大葉片長(zhǎng)度，可以增強(qiáng)攪拌器的分散效率。

3.3不同攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)的影響

設(shè)置不同葉片間距的攪拌軸轉(zhuǎn)速?gòu)?00～1 000 r·min-1變化，變量步長(zhǎng)為50 r·min-1。模擬間距為40、50、60 mm的葉片在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的流場(chǎng)最大壓力值，得到的轉(zhuǎn)速與壓力關(guān)系曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，最大壓力會(huì)隨之增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)的斜率也在不斷增大。特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速大于800 r·min-1后，最大壓力值會(huì)出現(xiàn)激增現(xiàn)象，并且葉片間距越大，激增的斜率也越大，說(shuō)明轉(zhuǎn)速的增大會(huì)增加葉片對(duì)纖維的剪切力，促進(jìn)對(duì)纖維的分散，同時(shí)也會(huì)增加攪拌機(jī)的功耗。

4結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)比分析了40、50、60 mm三組不同葉片間距下PVA纖維束攪拌器流場(chǎng)湍流強(qiáng)度分布，結(jié)果表明：適當(dāng)減小葉片間距對(duì)纖維的分散有利。

（2）研究不同軸距的流場(chǎng)湍流強(qiáng)度分布，結(jié)果表明：葉片在旋轉(zhuǎn)剪切時(shí)，交錯(cuò)重疊區(qū)域面積越大，葉片附近流場(chǎng)與葉片中間剖面處流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度越?。贿m當(dāng)減小攪拌軸距，可以增強(qiáng)葉片間流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)纖維的分散有利。

（3）研究不同攪拌轉(zhuǎn)速與壓力的關(guān)系，從關(guān)系曲線中得出：轉(zhuǎn)速的提高會(huì)增加葉片對(duì)纖維流的剪切力，促進(jìn)對(duì)纖維的分散，但是同時(shí)也會(huì)增加攪拌器的功耗。

（4）對(duì)PVA纖維束進(jìn)行流體參數(shù)估算，得出懸浮體密度和粘度，為纖維束攪拌流場(chǎng)仿真分析

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]