泵管(泵送混凝土在泵管中流变性能的数值模拟研究)

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泵送混凝土在泵管中流变性能的数值模拟研究

李悦，梅期威，王子赓，李战国

（北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京100124）

摘要：本文基于C60泵送混凝土现场盘管泵送试验结果，采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)法结合流体模拟软件FLUENT，将混凝土简视作由第一相的水泥砂浆和第二相的粗集料组成的两相流，进行泵送混凝土在泵管中流动过程的模拟计算，分析混凝土在泵管中的流动行为特征，包括速度和压力分布，沿程最大压力和最大速度，以及直弯管的压力损失规律，并将其与盘管泵送试验结果以及《混凝土泵送施工技术规程》的理论计算值作对比，验证计算机数值模拟结果的有效性。

关键词：泵送混凝土；泵管；压力损失；流动性能；数值模拟

0 引言

随着我国超高层建筑的不断涌现，混凝土泵送已成为超高层建筑混凝土施工的重要方式。现有技术已经不能满足要求，预拌混凝土流变调控和抗裂性能提升也越来越困难，因此对超高层高强泵送混凝土的设计、制备、施工工艺等提出了新的要求。研究压力作用下混凝土在泵管中的流变性能，创建高压作用下混凝土在泵管中流动过程的计算机数值模拟技术，显得尤为重要。为此，国内外围绕新拌泵送混凝土的流变与泵送性能开展了大量的研究。

新拌混凝土的流变性能主要是指混凝土的流动性能、抗离析性能、黏附性能，它对混凝土的可泵性影响显著^{[1, 2]}。泵送混凝土流变性能数值模拟分析方法主要有四种：计算流体动力学法(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)、离散颗粒流法(Discrete Element Method, 简称DEM)、CFD与DEM耦合法以及悬浮流动法，其中悬浮流动法又包括粘塑性悬浮元法（简称VSEM）和拉格朗日积分有限元法（简称FEMLIP）^{[3, 4]}。Roussel等^[3]总结了混凝土数值模拟的处理方法，可将混凝土看成单相流体，或者离散颗粒群，或者悬浮液。Gram等^[5]研究发现，在模拟时最需要考虑尺度的影响以选择合适的处理方法，CFD法适用于全尺度浇注过程以及混凝土在泵管中流动过程的模拟，DEM法适用于小规模泵送混凝土，如离析和堵管的模拟研究。Hu等^[6]采用CFD法模拟分析了混凝土在流变仪中的流动过程。Nabeta等^[7]将DEM法首次应用到新拌混凝土的模拟研究中，随后一些学者也采用了DEM法对混凝土坍落度、L箱试验过程进行了模拟分析，并对混凝土离散元微观接触模型进行了研究^[8-10]。Feys D^[11]采用CFD-DEM耦合法对混凝土在泵送过程中管壁磨损的分布进行了模拟。谷川恭雄等^[12]分别采用了VFEM法和VSEM法，对混凝土塌落和振动过程进行了模拟。目前采用CFD法进行泵送混凝土在泵管中流动过程的数值模拟研究相对较少。

本文选用了CFD法中的流体模拟软件FLUENT进行泵送混凝土在泵管中流动过程的多相流数值模拟，模拟分析泵管中的流速、压力分布以及泵送压力损失变化规律，并与盘管泵送试验测得的直弯管压力损失、《混凝土泵送施工技术规程》计算得到的压力损失作对比，验证FLUENT软件数值模拟结果的合理性。

1 现场盘管泵送试验概况

某超高层泵送用C60混凝土现场盘管试验的管道布置如图1所示，共有11根平行水平直管和1根垂直管，每根直管长3m，弯管处用2根半径为1m的90°弯管连接，泵管内径为150mm。采用HBT90CH-2150D超高压泵，理论排量 50m³/h，根据《混凝土泵送技术规程》选混凝土泵实际排量30 m³/h，按公式V=Q₁/（3600pr²）计算得混凝土在泵管中流速为V=0.47m/s。

2 FLUENT多相流模拟概况

用Fluent进行泵送混凝土在泵管中流动行为的多相流模拟思路是不考虑空气作用的影响，将混凝土简化为由液相（水泥砂浆）和固相（粗骨料）两相组成，选用欧拉模型进行模拟，其中主相为水泥砂浆，次相为粗骨料。

模拟主要分为两大步骤：首先利用GAMBIT进行流动区域几何结构形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent求解器计算的格式，然后再将其导入到Fluent软件对流动区域进行求解计算和计算结果的后处理。GAMBIT软件建模可分为三个步骤：一是建立几何模型，二是划分网格，三是定义边界。

用GAMBIT按实际尺寸建立好如图2所示的模型，为了方便监测弯管和直管的沿程阻力，在弯管和直管接头处创建截面、分割实体，其中i1截面为离水平入口处第一段水平直管与弯管接头处的截面，i2截面为离水平入口处第一段弯管与第二段水平直管接头处的截面，其他截面的位置见图2。然后划分边界层网格、面网格和体网格，最后定义好边界条件，保存dbs，导出网格模型。

将GAMBIT创建的几何模型导入到Fluent软件中，并进行如下的设置：设置Y方向上的重力加速度为-9.81m/s²，开启多相流模型，然后设置主相和次相及其材料属性，定义主相为水泥砂浆，次相为粗集料，如表2所示；再设置出入口边界条件，将入口边界设为速度入口，V=0.47m/s（以排量Q=30m³/h，即流速V=0.47m/s的工况为例），出口边界定义为压力出口，设置静压为0。

（2）速度分布云图：

图4为混凝土在泵管中流动的速度分布云图，由图4可以看出，混凝土在泵管中沿程最大速度为0.915m/s，出现在泵送弯管内壁位置，主要原因在于弯管改变了混凝土的流动方向，使其在弯管内壁位置加速流动。图5为横截面流速分布图，由图5可以看出，混凝土在泵管中的分布规律是，在越靠近泵管中心位置，流速越大，越远离中心位置，流速越小。

（4）直弯管压力损失计算：

关于压力损失的计算，主要分为直管和弯管两部分，每米直管的压力损失可由每段直管的两端截面压力值的差值除以该段直管的长度求出，每个弯管的压力损失可由每段弯管的两端截面压力值的差值除以该段弯管的个数求出。

选用in，i1，i2，i3，i4截面上的压力进行压力损失的计算，其中in和i1，i2和i3所表示的数值分别为两段直管两端截面的压力，它们的差值in-i1和i2-i3为每段直管（长度3m）的压力损失，然后除以每段直管的长度3m即可算出每米直管的压力损失，i1和i2，i3和i4所表示的数值为每段弯管（由2个半径为1m的90°弯管组成）两端截面的压力，它们的差值i1-i2，i3-i4为每段弯管的压力损失，然后除以每段弯管的个数2个即得每个弯管的压力损失。

具体模拟计算结果如表4所示，随着混凝土流速的增大，出入口总压降在不断增大，每米直管的压力损失和每个弯管的压力损失也在增大，主要原因在于流速的增大会提高混凝土与管道内壁之间的摩擦力，以至于压力损失增大。

将上面各参数代入式1中计算得：∆P_H=0.00318 MPa/m。

依据《混凝土泵送施工技术规程》JGJ/T 10—2011规范附录混凝土输送管换算中的表A.0.1混凝土输送管水平换算长度表，可求得混凝土在半径为1m的90°弯管的压力损失为9×0.00318=0.02862 MPa/个，比较接近现场实测的0.0203 MPa/个。

5 现场实测值、规范公式计算值和软件模拟值对比

当混凝土泵机排量为30m³/h，即混凝土在泵管中流速为0.47m/s时，每米直管和每个弯管的压力损失实测值、规范公式计算值和软件模拟值结果对比如表5所示。由表5可以看出，采用多相流模拟的泵送混凝土在泵管中流动时，每米直管的压力损失为0.0147MPa，每个弯管的压力损失为0.024MPa，与现场盘管泵送试验压力损失值大体吻合，验证了计算机数值模拟结果的可靠性。主要原因在于多相流模拟方法考虑了混凝土粗细骨料与水泥浆之间的相互作用，因而可以较好地反映泵送混凝土在管道中的流变行为。

6 结论

（1）现场盘管泵送试验测得，当混凝土泵机排量为30m³/h，即混凝土在泵管中流速为0.47m/s时，混凝土的直管压力损失为0.0126MPa/m，弯管压力损失为0.0203MPa/个。

（2）混凝土在泵管中的分布规律是越靠近泵管中心位置，流速越大，越靠近管壁，流速越小。

（3）随着泵送混凝土入泵速度的增大，其在泵管中流动的沿程最大压力、全程最大速度及出入口总压降在不断增大，每米直管的压力损失和每个弯管的压力损失也在增大。

（4）当混凝土泵机排量为30m³/h，即混凝土在管道中流速为0.48m/s时，采用多相流模拟的泵送混凝土在泵管中流动时，沿程最大压力为2.06MPa，最大流速为0.915m/s，直管的压力损失为0.0147MPa/m，弯管的压力损失为0.024MPa/个，与现场盘管泵送试验压力损失值大体吻合，验证了计算机数值模拟结果的可靠性。

参考文献

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[13] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土泵送施工技术规程[S]. 2011.

第一作者：李悦，北京工业大学建筑工程学院教授，博导。主要研究方向为建筑材料。

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