混凝土搅拌运输车搅拌罐内部流场的CFD分析

　　0　引言

　　CFD是流体力学研究除理论、实验之外的另一种主要手段。随着计算机技术以及各种计算方法的飞速发展, CFD在工程上的应用日益广泛,计算机性能的日益提高也使得对流体机械进行内部流场计算成为可能[1]。CFD分析代替了大量的实验,节省了大量的人力物力,带来了可观的社会效益和经济效益,已经成为重要的设计手段。在我国,由于财力有限,不可能大量进行系列试验,因此,发展或引进CFD技术,建立起以三维粘性数值模拟软件为基础的流体机械设计系统,能够以较小的代价使我国的流体机械设计水平有质的飞跃。直接对罐体中的流体进行三维粘性数值模拟[2],较少依赖试验数据和设计经验,能够较为准确地模拟罐体内部流场,认识搅拌罐内的流动特征,为人们今后探索流体机械叶轮部件内部的动情况,并设计出性能先进的搅拌叶片,提供重要的试验方法和理论依据。

　　1　搅拌设备的几何结构及尺寸

　　计算采用如图1所示的8·5LP型搅拌车的搅拌设备。选择搅拌罐前锥与圆柱段叶片为平直截面,前锥叶片与罐壁垂直焊接,叶片母线380mm;圆柱段叶片母线380mm,与罐壁成74·11°焊接,后锥段叶片与罐壁成74·11°,并且后锥段叶片母线沿出料方向逐渐减小。

　　螺旋叶片的前后锥采用非等变角对数螺旋线,中圆采用等角对数螺旋线。

　　根据以上尺寸在UG中对搅拌设备进行建模,将生成的模型以IGES的格式导入到ICEM中得到如图2所示的实体模型,进行网格划分,考虑到几何造型比较复杂,在这里采用四面体网格进行划分,划分后的网格如图3所示。工作介质为新拌混凝土,计算中搅拌叶片转速为16r/min,相应的搅拌雷诺数Re=2·7×103,故罐内液体处于湍流模式。

　　2　搅拌设备CFD分析的数学模型

　　2·1　搅拌设备CFD分析的力学模型

　　搅拌设备的CFD分析基于质量、动量、能量守恒的3个基本传递方程。处于湍流模式下的不可压缩性流体,采用柱坐标形式表示的雷诺平均的质量守恒和动量守恒方程如下[1-2]:

　　式中:μ为速度矢量;μr、μθ、μz分别为径向、切向和轴向速度; p为修正压力; Fr、Fθ、Fz分别为作用于流体上的径向、切向和轴向的体积力分量;τr、τθ、τz为有效应力张量τij的行向量。

　　为了使方程组封闭可解,需要添加合适的湍流模型作为补充方程。

　　2·2　功率准数的数值计算

　　功率准数Np通常定义为

　　式中:ρ为工作介质的密度, P为搅拌功率。