气-固-液混凝土喷射机喷头结构的力学性能分析

 　　1 混凝土喷射机的结构

　　混凝土喷射机是干喷、潮喷及湿喷混凝土的设备,其结构示意图1所示。首先将搅拌好的砂、碎石、混凝土物料,经过振动筛网供入料斗1中,由拔料器2拔动注入转子的直通料腔6中,随转子5旋转到出料口处。在这里从气室11通入气路系统的压缩空气,把物料吹送入出料弯头9,由旋流器10引入另一股压风,呈现多头风旋转状态把物料吹散,加速,形成气)固两相流体进入输料管(与出料弯头连接)。输料管的长度由施工现场决定,可达40~50m;到达喷头时,再引射抽吸水分(潮喷时)或液体速凝剂紊流掺和喷射出去。

　　本文着重研究进入喷头区域的气)固)液相的密度、质量流率及流体力学方程,讨论喷头结构对喷射性能的影响。

　　2 气—固混合流体的密度和质量流率及流体力学方程

　　混凝土喷射机由压缩空气,将砂、碎石、混凝土物料经长距离的管道输送,在管道中气)固两相流体颗粒相具有物浓度,采用欧拉生标相描述颗粒相[1],在流场中可以任意选取这样的微元,该微元尺寸对流场的几何尺寸足够小,而又对颗粒的尺寸足够大,并且在微元内含有足够的颗粒数,因而可以引入连续分布的速度、压力、温度及体积分数,研究湍流粘性,扩散及载能运动等。管道输送气)固相流体密度及含固(气)率按如下定义:

　　式中ρ₁₁、ρ₁₂分别为气体及固体颗流密度:φ₁₁、φ₁₂分别为气)固混合流体含气、含固体颗粒的百分率(简称含气率或含固率),ρ_s1为气)固混合流体的密度。

　　式中ρ₁₁φ₁₁、ρ₁₂φ₁₂分别为气)固颗粒两相混合流中含气及含固体颗粒的密度。

　　气—固两相流在管道起动段是高速、高紊流状态,两种连续介质在同一时空内重叠、相互作用,可采用双流体模型。然而经过长距离输送,混合流体的速度及紊流度明显降低,可忽略湍流载能运动及其相关的物理量,流体可看作不同压缩的,一定常的混合流体的密度ρ_s1为常量,可用一维连续性方程及雷诺时均的动量方程或贝努里方程建立数学模型,此时,气)固混合流体在管道输送到喷头入口之前1—1截面(见图1)的贝努里方程如下:

　　式中P₁₀为气)固混合流体的全压力(驻点压力); P₁、u₁分别为1—1截面混合流体的压力和速度;ζ₁为局部阻力损失系数; k₁为动能修正系数,紊流时k₁=1,层流时k₁=21

　　3 喷头内部流体力学方程