（机械制造及其自动化专业论文）面向水泥浆搅拌机设计的cfd分析系统研究.pdf

摘要 射流式水泥浆搅拌机是水泥类注浆施工中的常用设备。由于水泥浆搅拌机 的性能对工程质量有着重要的影响，因此，开发一种优良的水泥浆搅拌机具有 重要性和紧迫性。本文在吸收与借鉴国内外类似搅拌设备的基础上，进行了新 型射流式水泥浆搅拌机的结构设计，并引入c f d 分析方法对搅拌机流场进行分 析。为了提高c f d 技术的应用效率，缩短设计周期，降低研发成本，本文针对 射流式水泥浆搅拌机的特点，构建了面向水泥浆搅拌机设计的c f d 分析系统。 利用该系统可以方便地对搅拌机在不同结构参数下的流场特性进行分析，为搅 拌机结构参数的优化提供有价值的理论指导。 本文从水泥浆搅拌机的结构设计、c f d 分析系统的构建与应用和制浆效果 试验等几个方面展开研究，主要内容如下： 第一，基于射流式搅拌机的工作原理，针对项目要求，提出了新型射流式 水泥浆搅拌机的设计思想，并对搅拌机的关键部件进行了初步的结构设计。 第二，在熟练掌握大型商业软件f l u e n t 的基础上，利用v c + + 开发工具， 针对水泥浆搅拌机从几何模型的建立到网格模型的生成，再到数值计算及结果 输出的全过程，构建了参数化c f d 分析系统。利用该系统大大节省了水泥浆搅 拌机数值计算的时间。 第三，借助该c f d 分析系统全面、准确地获得了搅拌机内部的流场信息， 并对结构参数对搅拌机内部的速度分布、浓度分布及湍流强度分布的影响进行 了比较、研究和分析，为搅拌机结构参数的优化提供了参考依据。 第四，根据最终设计方案，制造了水泥浆搅拌机样机并进行了制浆效果试 验。结果表明，该搅拌机制浆效果良好，能够满足设计要求，从而验证了所构 建的c f d 分析系统的可靠性。 从工程应用的角度来看，利用本文所构建的c f d 分析系统能够有效地提高 设计效率，降低试验成本，所设计的射流式水泥浆搅拌机可以很好满足制浆需 求，所提出的分析系统具备实用性和前瞻性，具有一定的适用价值。 关键词：水泥浆搅拌机，c f d 分析系统，参数化 a b s t r a c t j e tc e m e n ts l u r r ym i x e rh a sb e e nw i d e l yu s e df o rc e m e n tg r o u t i n gc o n s t r u c t i o n ， a n dt h ep e r f o r m a n c eo fn l i x e rh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo n e n g i n e e r i n gq u a l i t y , t h e r e f o r e , i ti si m p o r t a n ta n du r g e n tt od e v e l o pak i n do fe x c e l l e n tc e m e n ts l u r r y m i x e r t h ep a p e r , o nt h eb a s i so fa b s o r p t i o na n dr e f e r e n c eo fs i m i l a rm i x i n g e q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，c o n d u c t sp r e l i m i n a r yd e s i g no fn e wj e tm i x e r , a n d i n t r o d u c e sc f da n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h ef l u i df i e l di nt h em i x e r i no r d e rt o r a i s et h el e v e lo fa p p l y i n gc f dt e c h n o l o g y , c u r t a i lt h et e s tp e r i o da n dc u td o w nt h e t e s tc o s t ，t h ep a p e rb u i l d sc f d a n a l y s i ss y s t e mi nc o n n e c t i o nw i t ht h ef e a t u r eo f t h e j e tm i x e r t h es y s t e mc a r lb eu s e dt oc o n v e n i e n t l ya n a l y z et h ef e a t u r eo ft h ef l u i d f i e l di nt h em i x e ru n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，w h i c hp r o v i d e sv a l u a b l e t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rr e a s o n a b l ec h o i c e o fm i x e rp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sa r es t u d i e d ：t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no f m i x e rs 仰c t u l e ，t h ec o n d u c t i o no fc f ds y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e ma n d p u l pe f f e c tt e s t t h em a i nc o n t e n t sa r e 邪f o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fj e tm i x e ra n dt o w a r d st h ep r o j e c t r e q u i r e m e n t ，t h ed e s i g ni d e ao ft h en e wc e m e n ts l u r r ym i x e ri sp r o p o s e d ，a n dt h e p r e l i m i n a r ys t m c t l 】r a id e s i g no f t h ek e yc o m p o n e n t so f m i x e r i sd o n e s e c o n d l y , b a s e do ng r a s p i n gf l u e n t t h a ti sac o m m e r c i a lp r e p r o c e s sc o d e ，t h e p a r a m e t r i cc f da n a l y s i ss y s t e m ，w h i c hi s ac o m p l e xp r o c e s st h a ti sf r o mm o d e l b u i l d i n ga n dm e s h i n gt on u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p o r t i n gr e s u l t s ，i sf i n i s h e db y u t i l i z i n gv c + + ，p l e n t i f u lt i m ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f j e tm i x e r i ss a v e db yu s i n g t h ea n a l y s i ss y s t e m t h i r d l y , t h ei n f o r m a t i o no ft h em i x e r si n t e r n a lf l u i df i e l di sf u l l ya n da c c u r a t e l y a c q u i r e dw i mt h eu s eo ft h ec f da n a l y s i ss y s t e m ，t h ei n f l u e n c et h a t s t n l c t u r a l p a r a m e t e r so ft h em i x e rh a v eo nv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n d t u r b u l e n c ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h em i x e ri ss t u d i e da n da n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e s r e f e r e n c eb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no fs t r l l c t u r a lp a r a m e t e r so ft h em i x e r f o u r t h l y , t h ef i n a ld e s i g np r o g r a mi sd e t e r m i n e d ，t h ep r o t o t y p eo ft h em i x e ri s i i m a d e , a n dt e s to fm i x i n gq u a l i t yi sc a r r i e d0 1 1 t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em i x e r m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i nt h ev i e wo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , t h ec f d a n a l y s i ss y s t e mi sau s e f u lt o o l t oi m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y , s h o r t e nd e s i g nt i m e t h ej e tc e m e n ts l u r r ym i x e rw h i c h i ss t u d i e di nt h es u b j e c tc a nw e l lm e e tc e m e n tg r o u t i n gc o n s t r u c t i o na n dt h ea n a l y s i s s y s t e mp r o p o s e di sp r a c t i c a la n df o r w a r d l o o k i n g , a n dh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：c e m e n ts l u r r ym i x e r , c f da n a l y s i ss y s t e m ，p a r a m e t r i c l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：翌缛盈l 日期： 呈q ! 叟：曼呈6 学位论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：耍7 鲫导师( 签名) 期：巡 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 注浆技术广泛应用于水利水电工程、矿山、建筑等工程的地基防渗与加固 施工中。从注浆技术的发展来看，水泥及超细水泥将仍然是主要的注浆材料。 制浆是注浆工艺的第一关，制浆搅拌机是将注浆材料混合均匀的必备设备，在 水泥类注浆过程中发挥着重要的作用，优良的搅拌设备和搅拌方式对注浆材料 的稳定性和工程质量有着重要的影响。制浆设备大多由施工单位根据自己的需 要加工制造，出现了种类繁多的制浆搅拌设备，国内很少有定型的制浆搅拌机。 目前，常用的搅拌设备从搅拌原理上可分为胶体磨式、叶片式和喷射式【1 】。这些 设备在技术上一般能够达到预期的效果，在搅拌工效和成本方面就另当别论了。 胶体磨式搅拌机是先进的制浆设备，搅拌效率高，可以搅拌高浓度水泥浆，但 是结构较复杂，成本较高。叶片式搅拌机构造简单，价格低廉，在工程中应用 广泛，可以搅拌一定浓度的水泥浆，但是效率较低且只能为重力排浆。射流式 搅拌机的工作原理是利用水射流将水泥干粉吸入排浆管中进行搅拌，具有设备 成本低、制浆速度高的特点，但由于搅拌均匀性不高，一定程度上限制了其广 泛应用。如何提供先进的浆液搅拌设备就成了摆在各国工程技术人员面前的重 要课题。 对于制浆搅拌机的设计，过去通常运用传统理论分析和实验测量进行流场 分析。研究发现，搅拌机内同时存在着多种流动形式，加之水泥干粉与水之间 的相互作用，使搅拌机内的水泥浆两相流流场变得非常复杂，很难用理论进行 详细的分析。复杂的流场特征和水泥浆的不透明性也限制了实验测量方法的应 用。在当今流体机械设计研究过程中，利用c f d 方法对流体机械内部的流场进 行数值模拟已经成为重要的技术手段，尤其是大型通用c f d 商业软件推出后， 数值模拟在工程中得到了更广泛的应用，可以一定程度上代替实验，降低研发 成本，并且数值模拟可以得到丰富的流场信息，为设计者进行流体机械的优化 设计提供可靠的依据。 本课题在吸收和借鉴国内外射流式水泥浆搅拌机设计优点的基础上，开发 了一种新型射流式水泥浆搅拌机。针对搅拌机设计过程，利用v c + + 捆绑大型商 武汉理工大学硕士学位论文 用软件f l u e n t 构建了一个专用的c f d 分析系统，借助该系统能够方便地对不 同设计方案进行c f d 分析，为搅拌机设计方案的优化提供有价值的理论指导， 降低试验成本，提高研发效率。 1 2 水泥浆搅拌机的研究现状和发展趋势 国内外的研究人员围绕水泥浆搅拌机的设计研究做了大量的工作，开发出 了多种水泥浆搅拌设备。这里主要结合本课题的研究内容，对国内外的射流式 搅拌机的发展研究现状做一介绍。 1 9 4 3 年，英国的j o h ns t a n l e ym o r g a n 开发了套水泥浆搅拌设备，该设备 有并行布置两部分搅拌装置组成。前一部分由搅拌槽和泵组成，通过泥浆管相 连通，主要用于搅拌水泥净浆。泵的叶轮为圆板状，通过高速旋转将破碎水泥 团聚物。搅拌桶底部的水泥浆经泥浆泵抽出后经泥浆管回流入搅拌桶上部，在 搅拌桶内形成涡流，促使水泥浆搅拌均匀；后一部分与前一部分结构基本相同， 如果要制备水泥沙浆，则把前一部分搅拌均匀的水泥浆经泥浆管排入到后一部 分的搅拌桶，然后加入沙子，即可制各水泥沙浆，泵的叶轮也与前一部分不同， 为叶轮式。该整体设计在以后的水泥浆搅拌机设计中多次被采用【2 】。 19 5 3 年，英国的l e o n a r dt r u m a nd a v i e s ，h i g h a m 等人在j o h ns t a n l e ym o r g a n 所设计的搅拌设备的基础上加以改进，一是将搅拌槽与搅拌泵相连接的浆槽改 为楔形结构，利于水泥浆的进入泵中；二是在两个搅拌桶的底部均加装、导流 叶片，使旋转流变为轴向流，浆槽内保持充足的水泥浆，提高了搅拌效率，同 时，该结构也能有效减少空气卷入量【3 1 。 i9 6 5 年，c h a d e sw i l l i a mb r a b a z o nu r m s t o n 对l e o n a r dt r u m a nd a v i e s 所设 计的搅拌设备做了较大的改进，将水泥搅拌槽的喷射管个数增加为两个，将沙 浆搅拌槽的喷射管个数增加为四个，改善了搅拌的效梨4 1 。 1 9 6 6 年，美国的j a h a r v e y 设计了一套自动水泥浆搅拌机，由搅拌站、 输送站、压力过滤站和储浆站组成，能自动进行加料、搅拌和排浆，适应范围 较广泛。该设备的特点是在搅拌桶的下部设计有滤网，螺旋向下的水泥浆在流 经滤网时，在离心力和摩擦力的作用下在滤网上做旋转运动，有助于过滤破碎 水泥团聚物并提高搅拌机的效率【5 】。 d o n a l dw h a r r i m a n 在1 9 7 1 年发明了一种水泥净浆搅拌机。水泥浆经底部 2 武汉理工大学硕士学位论文 出口的泥浆泵排出后，经泥浆管分三路进入水泥浆槽内，一路经搅拌槽底部的 搅拌喷嘴喷射进入槽内，通过射流防止水泥沉淀；一路喷射进入搅拌槽中部的 涡状导流筒，在搅拌槽内形成强烈的涡流；最后一路与水泥和水的进料管相贯 通，使水泥在进入搅拌槽之前已经得到初步的搅拌混合。搅拌系统中安装有密 度监测装置，操作人员根据密度调整水泥和水的流量，以保证所搅拌水泥浆的 密度和质量 6 1 。 m a x w e l l ( 2 h o o d 和s t i v c s 于19 7 2 年研制出离心式水泥浆搅拌机，其主要特 点有：水泥干粉进口管壁是弹性，通过充气可以伸缩，使水泥即便在快速大量 加入时也不会产生堵塞；水经搅拌容器上部的六个进口喷射进入，进水口方向 沿搅拌容器的切线方向，使水泥加入搅拌容器后在水力作用下快速旋转搅拌并 防止水泥在进口处积聚；搅拌容器设计成环状结构，形成强烈的涡流，加强了 混合效果，避免了搅拌混合中的死角；在搅拌容器的顶部设计有通风管，管中 有多透膜，以保持加料和出料的过程中搅拌槽内外气压一致，避免因压差造成 的粉尘污染问题及水泥浪费，同时提高排浆的效率 7 1 。 美国的w a r r e nm z i n g g 在1 9 7 6 年成功研制一种水泥浆搅拌设备。该设备的 工作原理是从循环泵喷射出高速水泥浆流通过喷嘴进入排浆管，产生局部真空， 直接从与排浆管相连通的料斗中吸入干料( 水泥、膨润土等) ，利用喷射水泥浆在排 浆管中产生的紊流进行初步搅拌，经初步混合的水泥浆以较高的速度进入位于 搅拌槽中央的涡壳状空腔内，形成强烈的涡流，从而达到与搅拌槽上部的水泥 浆快速混合的目的【引。 美国的r o g e rw d a y 在1 9 8 2 年设计了一套多级离心搅拌设备。该设备的结 构特点是利用上下交错的不同半径的圆柱状隔板将圆柱状的搅拌槽分割为若干 个同心的圆环区域。水泥自搅拌槽上部加入到中央区域中，水搅拌槽中央圆柱 区域底部切向进入，在狭小的空间内形成强烈的旋转流并与自上而下的水泥相 混合，由于随着加料的进行，水泥浆由最内层的区域向依次向外层的柱状区域 流动，最后由与搅拌槽最外侧相连通的出浆口排出。该搅拌机通过控制进料量 可以实现连续搅拌，且占用空间d d 9 。 h o r it a t s u h i k o ，u e n o m o ns h o j i 等人在1 9 8 2 年对射流式搅拌机的 进口及搅拌腔的结构加以改进，取得了很好的效果。它的结构特点主要有三点： 一是在水泥干粉加料斗和搅拌腔前端的内壁上设计一层多空板，该板与内壁保 持一定的间隙并与供气阀相连通，在加料的过程中，通过吹入空气使阻止水泥 在料斗内壁和搅拌腔进口位置粘接，该设计思想与m a x w e l lg h o o d 和s t i v e s 的 3 武汉理工大学硕士学位论文 离心式水泥浆搅拌机进口设计原理有相似之处；二是在进料斗和搅拌腔的附近 安装叶轮并有电机驱动；三是在水泥干粉进料斗和搅拌腔连接处使用由弹性材 料，通过振动器振动连接部以防止水泥干粉在该处发生堵塞【1 0 1 。 日本的o t s u b on o r i o 在19 8 3 年对l e o n a r dt r u m a nd a v i e s ，h i g h a m 等人 设计方案进行了改进，首次提出将一空心球漂浮在搅拌桶的中央，干扰了空心 涡的生成，有效的防止了空气在涡流的作用下进入水泥浆，提高了搅拌效率， 也改善了水泥浆的质量【l 。 1 9 8 9 年，美国的d w s m i t h ，r d k e n n e d y 等人在w a r r e nm z i n g g 所设计的 水泥浆搅拌机基础上加以重大改进，提出了新的设计方案。所提出的创新点有 三个：将涡壳状搅拌空腔至于搅拌容器的顶部，与搅拌容器相分离，空腔的底 部连接有混合管并向下伸入搅拌容器内，搅拌槽底部的水泥浆在泵的压力下喷 射进入涡壳状搅拌空腔，形成剧烈的涡流并向下进入混合管中，与进入混合管 的水泥干粉充分混合，达到很好的搅拌混合效果【1 2 1 。 a l l e n ，t h o m a se ，e d g l e y ，k e v i nd 等人在1 9 9 1 年构建一种组合式水泥浆 搅拌机，采用喷射搅拌和叶轮搅拌相结合的方式进行搅拌，其中喷射搅拌装置 位于搅拌槽的顶部，水沿喷射搅拌装置的切向进入喷射搅拌腔后在多空导流叶 片的作用下分散开，与自上而下水泥干粉相混合，经初步混合的水泥浆料同时 被喷射搅拌腔体内旋转的水泥浆卷吸混合。在喷射搅拌腔的出口位置设计带涡 状折流板的平板，改变原有流向，增强了搅拌效果。此外，为了防止搅拌槽内 的沉淀，提高水泥浆质量，在搅拌槽中下部安装有叶轮，叶轮倾斜插入搅拌槽 中【1 3 j 。 1 9 9 6 年，p a u lo p a d g e t t ，l a n n yr l a n d r a m 等人发明了一种搅拌设备，该设 备可以用来搅拌水泥浆、膨润土泥浆等。它具有的特点是在搅拌腔的出口处设 置多层上端开口大、下端开口小的圆环状导流叶片，水泥浆料在经过导流叶片 的过程中不断被掺混、搅拌，减少了水泥团聚物出现的可能性。此外，搅拌设 备的一个最大特点是搅拌容器内部被一隔板分割为两部分，一部分是搅拌槽， 另一部分是储浆槽，当搅拌槽装满后，水泥浆会自动溢出到储浆槽，供施工使 用，免去了排浆开关。该设备具有机构简单，使用方便的优点【1 4 】。 国内的朱立新、陆惠明在2 0 0 1 年发明了涡流式搅拌机，该搅拌机的特征是 制浆桶外设有离心泵，制浆桶与离心泵之间由管道相连通。它的工作原理是采 用离心泵出口的水力喷射、搅拌槽内的涡流及离心泵机械搅拌相结合的方式使 水泥浆搅拌均匀【1 5 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 总之，国内外射流式水泥浆搅拌机或者类似的搅拌设备多种多样，但对于 搅拌槽内的喷射、导流等结构的研究很少，且研究方法大都采用传统的理论分 析方法和实验测量方法，在研究搅拌机内部复杂的固液两相流流场特征时具有 一定的局限性，从而制约了搅拌机性能的提高。 1 3c f d 技术在流体机械领域的应用 在当今流体机械设计研究过程中，利用c f d 分析方法对流体机械内部的流 场进行数值模拟已经成为重要的技术手段，可以定程度上代替实验，降低研 发成本，并且数值模拟可以得到丰富的流场信息，为设计者进行流体机械的优 化设计提供可靠的依据。 a n d e l sd a r e l i u s 等【l6 】利用欧拉欧拉模型对高剪切搅拌机内部气固两相流的 速度场和剪切应力场进行了数值模拟，得出了对固相采用部分滑移壁面较自由 壁面能够更准确得到分界层高度的结论。 k h j a v e d 等【1 7 】利用f l u e n t 的湍流模型和滑移网格法对六涡轮桨搅拌机 内部的速度分布、湍流强度分布及示踪剂浓度分布等特征进行了仿真，计算结 果与实验数据较吻合。 d d a k s h i n a m o o r t h y 等 1 8 】采用c f d 技术对喷射搅拌机在分散抑制剂方面的 工效进行了数值模拟，与涡轮桨和斜叶桨搅拌机的搅拌效果进行了比较，为喷 射搅拌机的设计提供了依据。 g r k a s a t a 等【l9 】利用标准k s 湍流模型和m r f s 方法对涡轮搅拌机搅拌过程 进行非稳态分析，模拟结果有助于认识固相在液相中悬浮分散的全过程。 s l y e o h 等1 2 0 采用l e s 和r a n s 模拟方法对r e = 4 0 0 0 0 的涡轮搅拌机的 流场进行了数值模拟，结果表明l e s 方法能够较准确地对流场进行宏观的预测， 并且能够显示微小的流场特征，如拖曳涡等，此外，与实验数据比较证明，l e s 较r a n s 方法能更真实的反应搅拌机内部的湍流特征。 a w p a t w a r d h a n 2 1 】和s j a y a n t i 2 2 1 运用数值模拟的方法对喷射搅拌器进行数 字仿真，计算结果比实验结果更能表征喷射搅拌过程中的浓度分布特征，此外， 得出了影响喷射搅拌效率的关键因素是消除或者减小搅拌死角的结论。 赵斌娟等【2 3 】选用混合物多相流模型、扩展的标准k - 湍流模型与s i m p l e c 算法对双流道泵全流道的两相流动进行三维数值模拟揭示了不同粒径及颗粒 5 武汉理工大学硕士学位论文 体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律。揭示了颗粒分布规律、 颗粒浓度和粒径对固相离析作用及泵出口总压的影响。 张华芹等【2 4 】采用标准k - s 湍流模型和滑移网格( s m ) 法，对连续高速分散混合 器进行三维流动场的数值模拟研究结果表明：功率消耗主要用于高剪切混合； 混合腔内的速度场、剪切速率等在局部区域梯度较大；转子定子的相对位置关 系直接影响定子槽内的漩涡流型。 蔡兆麟【2 5 】【2 6 】等捆绑c f d 通用软件f l u e n t 构建了离心风机数值试验平台， 并利用该平台对某型号通风机方便快捷地进行了数值模拟，得到一些有价值的 结果，为通风机的试验和分析提供了有效手段。 徐坤豪等【2 7 】将c a d 系统的参数化建模整合到车用空调离心风机虚拟实验台 的搭建中，使风机模型的调整更加灵活，并对自动建模和数值模拟进行了实践， 与实验数据相比较对其可行性进行了实例的验证。 张兆杰等【2 3 】结合f l u e n t 及前处理软件g a m b i t 的日志文件与v c + + 6 0 对f l u e n t 进行二次构建，创建了高速列车隧道空气动力学数值模拟平台，对 高速列车在隧道内的瞬变压力变化过程进行了数字仿真，绘制了隧道内壁、车 头、车尾及车身的瞬变压力随时间变化的曲线，对新型隧道洞口和车辆的密封 结构优化设计提供了依据。 齐恩伍【2 9 】等分析了g a m b i t 的命令流灵活易读的特点，阐述了用流行的 v b 语言对软件g a m b i t 封装进行二次构建的思想，并设计了友好的图形化的 输入界面，通过冷凝器排管横截面的建模来说明g a m b i t 参数化建模的实现过 程。结果表明：该方法简便有效，可以便捷地冷凝器排管横截面的几何模型进 行修改。 殷陈锋等【3 0 】利用v b n e t 设计了圆弧板叶片的参数化建模程序，并利用 f l u e n t 软件对轴流通风机内部三维粘性流场进行数值模拟，得出不同安装角 参数下风机的性能曲线，为通风机的优化设计提供重要的指导方法。 黄鹏【3 l 】【3 2 】在v c + + 构建环境，以g a m b i t 前处理、f l u e n t 求解器和 t e c p l o t 后处理软件为后台，分别实现了钻井钻头冷却系统流场模拟软件和液 压集成块管网流场分析系统的开发。通过所开发的系统方便快捷地对钻头在钻 井时内部冷却流场的情况和液压集成块网管流场进行数字仿真，并进行了实例 演示。 曹东波【3 3 】对f l u e n t 的前处理软件g a m b i t 的命令流进行封装，采用 v c 抖6 0 对f l u e n t 进行二次构建，并基于w e bb r o w s e r 的数据管理方式， 6 武汉理工大学硕士学位论文 搭建了灵活易用的便于f l u e n t 进行二次构建的数据管理平台，为泵的辅助优 化设计提供了一种高效的方法。 刘飞【3 4 】采用面向对象技术( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 的构建工具 p o w e r b u i l d e r 对f l u e n t 的建模和计算操作进行程序化集成，对其中的关键技术 进行了研究，构建了离心压缩机建模参数化软件，并利用该软件进行了单级离 心式压缩机和多级离心式压缩机的数值计算。 雷海波( 3 5 】利用v b 构建工具对多翼离心风机c f d 分析的前后处理相关程序 的构建，进行了多翼离心风机内流场的三维数值模拟分析和风机结构参数的优 化以及损失的研究，为多翼离心风机的结构设计提供了有益的参考。 伍晓芳【3 6 】在多翼离心风机传统设计方法的基础上，编制空调用多翼离心风 机的参数化设计a u t o l i s p 程序，生成参数化的c a d 图形，并与g a m b i t 的日 志文件相结合，实现了离心风机设计的c a d c f d 部分集成，大大减少了风机数 值模拟的时间，缩短了空调用多翼离心风机的设计n 造周期，提高风机的工作 效率。 薛兆鹏【3 刀研究了搅拌桨的c l a d c a p p c a m 的集成技术，通过搅拌桨参数 的变化对流动性能的影响分析，找到合适的结构参数，c f d 技术在整个集成过 程中发挥了关键的作用。 国内外的研究人员利用c f d 分析方法对搅拌机、泵、风机等流体机械内部 的流场进行了数值模拟，取得了良好的结果。一些研究人员还对通用的c f d 软 件进行了二次开发，简化了数值计算过程，提高了c f d 应用效率，也为本文提 供了有益的参考。 1 4 课题的主要研究内容 本文研究课题是来自“十一五 国家科技支撑计划重大项目“既有建筑综 合改造关键技术研究与示范 的子课题“既有建筑改造专用注浆工艺及配套设 备的研究与开发，结合目前工程界射流式水泥浆搅拌机的研究现状和c f d 技术 的应用情况，提出本文研究课题“面向水泥浆搅拌机设计的c f d 分析系统研究 。 首先，运用传统的理论分析方法进行了对水泥浆搅拌机进行了初步的结构设计； 然后，利用参数化设计思想，针对该型搅拌机的c f d 分析过程，构建面向水泥 浆搅拌机设计的c f d 系统；最后，对利用该系统所开发出的水泥浆搅拌机进行 7 武汉理工大学硕士学位论文 制浆效果试验。 研究内容如下： ( 1 ) 分析搅拌机的工况条件，确定总体设计方案，运用传统的理论分析方 法对水泥浆搅拌机的各个部件进行初步的结构设计。 ( 2 ) 利用v c + + 对c f d 通用软件f l u e n t 及其前处理软件g a m b i t 进行 捆绑式二次开发，通过友好的人机交互界面，实现搅拌机几何模型的建立、网 格划分、求解计算及后处理等操作，提高c f d 技术的使用效率。 ( 3 ) 基于构建的参数化c f d 分析系统，进行水泥浆搅拌机内部流场的数值 模拟，为搅拌机结构参数的优化提供依据。通过搅拌机样机制浆效果试验，检 验该分析系统的实用性和可靠性。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章水泥浆搅拌机机械结构的设计研究 2 1 设计思想 迄今为止，国内外已开发出多种形式的射流式水泥浆搅拌机，但是还没有 一套成熟的、严密的、系统的设计方法。射流式搅拌机或者类似设备的基本原 理如图2 1 所示，其中，l 为搅拌槽，2 为射流管，3 为切换阀，4 为排浆管，5 为储浆槽，6 为泥浆泵。搅拌槽的顶部开设有进料口，底部与泥浆泵的进口相连 通，泥浆泵出口与射流管和排浆管相连接，射流管与排浆管之间设计有切换阀， 通过切向阀实现循环搅拌与排浆。搅拌均匀后，打开出料阀，关闭循环阀，水 泥浆液由排浆管快速排到施工现场。 图2 1 射流式搅拌机的原理 通过对国内外类似搅拌制浆设备的研究、分析和比较，特别是对射流式水 泥浆搅拌设备进行研究分析，在吸收现有国内外类似设备设计优点的基础上， 提出了新的搅拌机设计思路：针对搅拌过程中的高速射流，设计符合工况条件 的搅拌喷射器，充分利用射流进行搅拌；利用导流叶片改变单一的涡流流动， 将部分切向流动变为轴向和径向流动，增强水泥浆的对流与扩散；在搅拌槽底 部出口附近设计反旋器，消除漩涡对出流稳定性的影响，避免泥浆泵吸入空气。 在水泥浆循环搅拌过程中所产生的气泡通过出料口逸出到大气中。 基于上述设计思想，本课题水泥浆搅拌机设计过程如下： ( 1 ) 收集基本的设计数据包括水泥浆的密度、浓度、制浆速度和添加剂的 9 武汉理工大学硕士学位论文 基本性能等； ( 2 ) 根据制浆的速度及水泥浆的浓度、密度、颗粒度等性质选择合适的泥 浆泵型号及管道附件； ( 3 ) 根据制浆速度的要求选择合理搅拌桶的容积和用于循环的泥浆泵的流 量及电机功率； ( 4 ) 初步计算搅拌喷射器处水泥浆的流速与射流范围，充分利用流体力学 理论将泥浆泵中产生的巨大的水压力转化为搅拌桶内水泥浆的湍流动能，实现 水泥浆的均匀混合，为搅拌喷射器及搅拌桶的结构设计提供理论依据； ( 5 ) 在搅拌机出口的部位避免出现空心涡，以防止空气进入泥浆泵内，降 低搅拌机的效率，减少泵的使用寿命； ( 6 ) 在设计过程中，只要能够满足搅拌要求，尽可能选取比较大的搅拌桶， 这样可以增加制浆能力； ( 7 ) 根据旌工条件的要求设计配套的储浆桶，实现连续制浆，提高制浆效 率； ( 8 ) 考虑搅拌设备易于移动，便于注浆施工。 2 2 基本流场理论 搅拌槽内的流场结构复杂，水泥浆经射流管喷射进入搅拌槽后形成强烈的 涡流及其二次流，所以搅拌槽内的水泥浆流动是射流、涡流及二次流等流动形 式组合形成的复杂流动，为了进行部件的合理设计，有必要对相关的流体理论 做一介绍。 2 2 1 射流理论 所谓射流是指由排泄口中喷出截面具有一定尺寸的流体进入其他空间中。 按喷射进入空间的不同分为自由射流、有限空间射流和贴壁射流。本课题所涉 及的射流具备这三种流动形式，且属于淹没射流，即射流经喷射出后进入同一 种介质中。 1 自由射流的基本结构 射流经孔口射出进入空间后，由于流体的不规则运动和微团的波动，致使 l o 武汉理工大学硕士学位论文 射流和孔口周围静止流体之间发生质量和能量交换，由此产生的漩涡卷吸周边 的流体进入射流区域【3 8 】。自由射流流场结构特征主要分为三部分，如图2 2 所示。 ( 1 ) 起始段和射流核心射流在进入射流空间初期速度保持不变，称为速 度核心区，区域边界称为射流内边界。在沿喷射方向流动一段时间后，边界层 逐渐扩大，由于与被引射流之间的能量交换，速度逐渐减低，射流与周围流体 的边界称为射流外边界。 ( 2 ) 过渡段过渡段很短，一般将其简化为一个过渡截面。过渡段中的流 场比较复杂，在分析中往往忽略不计。 ( 3 ) 主体段主体段是射流主要工作区域，射流的湍流特性在该段才充分 地表现出来。沿流向的中心线，流速逐渐降低，在截面上分布有明显的相似性。 图2 2 自由射流的流场结构特征 2 有限空间射流的基本结构及特性 有限空间射流是指射流自排泄口射出后进入有约束的有限空间【3 9 1 。它与本 节所描述的自由射流有很大的不同，由于自由射流流出后受到固体壁面的约束， 轴向压力梯度较大，边界的发展也受到干扰，因此有限空间射流的结构特性与 自由射流也有很大不同。 ( 1 ) 有限空间射流的结构 有限空间射流的流动结构如图2 3 所示，根据每个流动区域流动规律的不 同，可以将其分为四个不同的流动区域。 第一区域：射流的核心速度保持恒定，被引射流在边界层和固体壁面的双 重作用下发生能量、质量的交换，典型的标志是具有射流速度核； 第二区域：在该区域内，随着射流与被引射流之问相互作用的加剧，射流 边界层向周边扩大，参量在该区域内基本不变； 武汉理工大学硕士学位论文 第三区域：该区域称为回流区。该区域是由于射流边界层在壁面发生分离 造成的，回流方向沿轴向与射流方向相反； 第四区域：在经过短暂的回流区域后，射流与被引射流的速度趋于稳定， 与管流类似，称为管流区。 一一 ；= 一 l ：一- q c ”一 r 一= = = = 。一一一 一苏斑= = = ：一二= = 一a ll 尹= _ 一 z ：一 p 。- 一 = 次旋三一： 7 。、 +- 一 =：l ii l i i i n 图2 3 有限空间射流结构图 ( 2 ) 有限空间射流的基本特性 有限空间射流与自由射流的最大的不同在于，由于受空间的限制，有限空 间射流动量不守恒且存在轴向压力差，还可能存在回流区。 有限空间射流流动的质量守恒 在固体边壁的约束下，卷吸到射流中的流体质量是恒定的，可用下式表示。 瓦c 3f p u 2 ，r r d r = 0 ( 2 - 1 ) 轴向动量不守恒 在固体边壁的摩擦阻力和轴向压力梯度的共同影响下，轴向动量不守恒， 即 昙r ( p + p u 2 ) 2 z r r d r + 2 7 r r r = 0 ( 2 2 ) 式中：o 为固体壁边界处的摩擦阻力。 压力梯度 存在轴向压力梯度，压力梯度可用如下所示的压力系数来表示。 缈：车盟 ( 2 3 ) 三倒； 式中：风为喷嘴出v i 处的压力。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 涡流理论 工程中广泛存在着各种各样的涡流运动，从表面上看是一种强烈的旋转运 动，其形成的条件是旋转的流体微团积聚较强的涡流量并绕某一公共轴线做旋 转运动【删。涡流运动分为自由涡运动( w = 0 ) 和强制涡运动( w 0 ) 两大类， 其中w 为自转角速度矢量。大多存在的是由强迫涡和自由涡合成的组合涡【4 1 1 。 在旋转流体区域中选取半径，处的个微元体d r d z r a o ，在相同的水平面 上，其伯努力方程为 日：z + 卫+ 箬 ( 2 4 ) p gz g 式中： 日总压头，m ； z 势压头，m ； p 半径，处的压力，p a ； “半径，处的切向速度，m s ； p 密度，堙m 一。 将式( 2 - 4 ) 对半径，微分，得 一d h ：上塑+ 兰堕 (25)j- j-dr p gd rgd r 就微元体d r d z r d o 进行径向受力分析可得 p r d o d z 一( p + d p ) r d o d r d z + 州秒抛等= 0 ( 2 6 ) 即 章=p等(2-7)ar 。 ， 将式( 2 6 ) 带入式( 2 4 ) 得 石d h = 警+ 吉等= u t - 石d u t + = i 1u 厂, “d 厂( u , r ) ( 2 - 8 ) d r gd rgrg 、d rr 。长ru r。 ? 式( 2 8 ) 是流体无粘旋转运动的能量方程。根据该方程可以推导出不同涡 流运动的基本方程。 在自由涡运动中，流体微元与外界不存在能量的交换，在式( 2 8 ) 中表示 为单：0 ，由此可推导出 武汉理工大学硕士学位论文 u t r = c ( 2 9 ) 式中：c 常数。 式( 2 9 ) 即为自由涡运动的速度分布表达式，从中容易看出，流体微元的 切线速度与其涡心距离( 即半径，) 成反比。 强制涡运动是在外力连续作用下发展起来的一种旋转运动，其特点是角速 度不等于零，质点流速和涡心距成正比，即 珥= w r ( 2 - 1 0 ) 式中：w 角速度。 式( 2 1 0 ) 即为强制涡运动的速度分布表达式。其自由面是一个旋转抛物面。 在实际的工程领域，涡流运动往往是以组合涡的形式出现，它是由自由涡运动 和强制涡运动合成的复合运动，组合涡运动的通式为t u t r “= c ( 2 - 1 1 ) 组合涡运动的具体形式随着指数疗取值的变化而变化，其切线速度分布如 图2 4 所示【4 1 1 。 厂。q ， 、 l ， 茂由漏l 耍目i 涡怠由菇 一 一 氇 砜 ：a ) 涡漉分 h祈k硎 “；董摩抖右 图2 4 组合涡切线速度分布 从图2 4 可以看出，自由涡区域内流体微元的切线速度随着涡心距离的增大 而减小，而强制涡区域内的流体微元的切线速度随着涡心距离的增大而增大。 切线速度在自由涡与强制涡的分界线上达到最大值，该界面的涡心距记为乞。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 二次流原理 二次流是流体在流动过程中偏移其主流动方向的伴髓流动【4 2 1 。在自然界及 流体机械中( 射流式搅拌容器、水处理沉降设各、排沙漏斗等) 中普遍存在着 二次流现象。二次流作为一种伴随流动，其发生的基本前提至少两个： ( 1 ) 流动介质本身或者与边界处有剪切力作用； ( 2 ) 流动过程中存在使其偏离主流方向的力。 流体切向进入一平底或者锥形底的圆柱状容器中，为了研究整个流场的特 性，取一流体单元分析其受力情况，在假设整个流体满足动量方程时，其径向 的欧拉方程式如下所示： p 流体的压力； p 为流体的密度； v 流体切向速度： r 流体运动半径。 由公式( 2 - 1 2 ) 可以看出，对于一定的压力梯度劫o r ，速度v 越小则流 体运动半径越小。流体质