摘 要：结合混合设备结构特征，建立了三维有限元模型，采用四面体非结构化网格对模型的转动部分进行了划分，在叶片末端采取了加密处理，在此基础上成功实现了对商品砂浆混合过程的计算机再现和对复杂物理过程及细节的分析。研究结果表明：混合设备内物料的运动速度沿径向逐渐增大，在外侧桨叶作用下速度达到最大，靠近搅拌轴以及搅拌臂部分速度最小，且在通气口位置的物料有较大的速度。
关键词：商品砂浆；混合过程；有限元模拟
引言
随着我国资源节约型、环境友好型社会建设的发展，特别是国家有关建筑节能政策法规的出台，符合绿色环保发展方向的干混砂浆产业正处于蓄势待发的大好时机[1]。
混合设备是商品砂浆生产中最关键的一环，也即是工厂的“心脏”。目前，关于混合设备的研究主要集中在对混合设备的改进以及结构参数优化方面，缺少对商品砂浆混合物理过程的研究[2-3]。商品砂浆混合物理过程的研究将是设计混合设备的基础，对混合过程物理现象及细节的洞察和明确能够为混合设备的设计与改进提供理论依据。商品砂浆物料混合过程是相当复杂的，物料流动是三维和高度不稳定的湍流流动，随机性和脉动给流场和混合参数的设定带来了很大的困难[4]，因此，理论建模和实验研究都难以对物料混合复杂物理过程的动态发展给出满意的解释。当前，随着有限元模拟技术的发展，国内外很多研究学者利用有限元技术对各种工程的物理过程进行模拟分析[5-6]。大量研究表明，有限元模拟技术在研究复杂物理过程方面是较为可行的，是一种有效的研究方法。鉴于此，本文以实际工程中常用的DW1200卧式商品砂浆混合设备为研究对象，利用有限元模拟技术研究干混砂浆物料混合过程，掌握物料混合过程中的各种物理现象及其变化规律，为进一步改进和优化设计混合设备提供理论依据。
1 有限元模型建立
以DW1200单卧轴桨叶式干混砂浆混合设备为研究对象。该混合设备的主要参数为：总容积1200L，搅拌筒直径1110mm，搅拌轴直径130mm，电机功率22KW，搅拌轴转速88r/min。外筒的截面形状为O形，在UG三维软件中建立混合设备实体模型，如图1所示。
网格是有限元模型的几何表达式，也是模拟和分析的载体，网格质量对有限元计算精度和计算效率有很重要的影响[7]。本文采用ICEM CFD模块对混合设备实体模型进行网格划分。由于混合设备内部结构不规则，因此，搅拌桨区域采用四面体非结构化网格划分，桨外区域采用六面体非结构化网格划分。将模型分成两部分，即转动部分和静止部分。
（1）转动部分，此部分模型形状复杂，采用四面体非结构化网格划分，由于转子叶片末端网格质量较差，在此处对网格进行了加密处理，如图2（a）和2（b）所示。
（2）静止部分，此部分模型采用六面体非结构化网格划分。
2 有限元模拟参数设置
2.1 设定物料属性
2.2 计算模型
由于混合设备内有强湍涡流，具有明显的各向异性，故模拟采用RNG 湍流模型，气固两相流模型选择混合模型（Mixture Model）。
2.3 设置区域类型和边界
流场模拟将转动部分和静止部分的区域类型均指定为流体域。转子的各个面的边界类型指定WALL（壁面），两部分交界面采用用域接口（Domain Interface）将转动部分和静止部分连接起来，将接口性质稳态模拟选为Frozen Rotor，瞬态模拟设为Transient Rotor Stator，其余没有被指定的边界默认它们的类型为WALL。
2.4 时间步长的确定
对于非稳态问题的计算，需要设置总时间以及时间步长。研究表明，在满足收敛和一定精确性的条件下，时间步长的值对最终混合时间的结果影响很小。时间步长于流体流动的循环时间有关，与转速的倒数成一定的比例关系。一般时间步长取值应小于转速的倒数的，且本文混合设备模拟所用最大转速为50，因此，为了计算的稳定性，采用固定的保守时间步长为0.1s。
3 模拟结果与分析
3.1 混合过程流场内物料体积分布
分析混合设备的流场最直接有效的方法就是观测流场内物料的体积变化。以砂子在混合设备内体积分数的变化进行说明，图3为不同时刻砂子的体积分布图。
从图中可以非常直观的观察到混合设备内物料的变化。0.4s时，第二组桨叶转动到水平位置，沙子在桨叶带动下向上运动，原本没有物料的上层空气区域出现了沙子。0.8s时，大量的沙子带到上层空气区域。1.2s左右，叶片转到初始位置，沙子在重力作用下向下运动。在整个过程中，由通气口向桶内吹气，沙子在气流作用下沿气流的的方向运动，在通气口附近沙子浓度较低，但在气流作用的末端有较大的浓度。沙子就在搅拌叶片及气流驱动下运动，最终实现完全混合。
3.2 混合过程浓度场分析
在坐标（0，350，400）处加入与流场相同特性的示踪剂KCL，示踪剂KCL对物料流动没有影响，观察其浓度变化。模拟结果如图4。所示：
从图中可以清楚地看到示踪剂在混合设备内的分散过程。前15s，示踪剂扩散极其迅速；在30s时，在桨叶的搅拌作用驱动下沿切向和轴向流动，示踪剂已经扩散到混合设备得另一端；在40s左右，物料混合已经比较充分。
示踪剂在桨叶的搅拌作用下沿切向和轴向方向流动，形成对流混合；桨叶及其附近区域的示踪剂在桨叶的作用下，彼此之间形成剪切层，各示踪剂颗粒之间相互碰撞和滑动，受到很大的剪切力作用，形成剪切混合；在对流、剪切以及扩散等多种混合作用下示踪剂浓度逐渐达到均匀。
4.3 混合过程速度场分析
通过对流场的有限元模拟可以直观地得到混合过程中速度场分布情况，混合过程速度模拟结果如图5所示。从图中可以看出，物料的运动速度沿径向逐渐增大，在外侧桨叶作用下速度达到最大，靠近搅拌轴以及搅拌臂部分速度最小，且在通气口位置的物料有较大的速度。物料在混合设备内的整体流动趋势以沿搅拌桨叶转动的环流为主，同时在搅拌桨叶处产生湍流，可使物料加快混合。
5 结束语
5.1 在论述商品砂浆混合过程有限元模拟流程的基础上，通过合理简化，建立了混合设备三维实体模型，并采用ANSYS软件进行网格划分，建立了混合过程有限元模型。
5.2 基于有限元模型对商品砂浆混合物理过程进行了模拟分析，研究了混合过程流场内物料体积分布、混合过程浓度场分布、混合过程速度场等物理现象。研究结果表明：混合设备内物料的运动速度沿径向逐渐增大，在外侧桨叶作用下速度达到最大，靠近搅拌轴以及搅拌臂部分速度最小，且在通气口位置的物料有较大的速度。
5.3 通过本研究工作能够掌握商品砂浆物料混合过程的各个物理现象及其发展过程，有助于对商品砂浆混合物理过程的深刻理解，从而为混合设备结构参数的优化设计和新设备的研制提供理论依据和技术指导。
参考文献
[1]徐亦冬，陆云龙.干混砂浆的技术优势与推广策略[J].干混砂浆，2004（10）.
[2]田冰.固体混合设备原理与选择[J].装备应用与研究，2010，281（35）：23-30.
[3]向再励.搅拌机设计和使用中主要参数的选取[D].西安：长安大学，2008.
[4]Gao D R，Sumanta A，Wang Y Q，et al. Flow Field around Rushton Turbine in Stirred Tank by particle Image Velocimetry Measurement[J]. Chin. J. Chem. Eng.，2004，12（6）： 843-850.
[5]G.L. Lane，M.P. Schwarz，G.M. Evans. Predicting gas-liquid flow in a mechanically stirred tank[J]. Applied Mathematical Modeling 2002，26： 223-235.
[6]Lae M.Oshinowo，Andre Bakker. CFD modeling of solids suspensions in stirred tanks[J]. Computational Modelling of Materials，Minerials and Metal Processing，2001，205-215.
[7]孙纪宁.ANSYS CFX 对流传热数值模拟基础应用教程[M].北京： 国防工业出版生社，2010（4）.
作者简介：聂梦龙，男，在读硕士研究生，研究方向：机械制造及其自动化。
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