基于CFD-DEM耦合方法的喷射混凝土喷嘴冲蚀磨损机理与参数优化研究

《Powder Technology》：CFD-DEM study on the erosive wear of a shotcrete nozzle

本文采用计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）研究喷射混凝土气力输送过程中喷嘴的冲蚀磨损。通过Hertz-Mindlin-JKR接触模型构建本构关系，并应用Archard磨损方程分析风速、收缩角及喂料速率对喷嘴磨损的影响，为喷嘴结构设计与施工参数优化提供理论依据。

　　

Section snippets

Theoretical methods

在本文的模拟中，喷射混凝土的气力输送被简化为两个相：固相（混凝土颗粒）和流体相（空气）。使用计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）模拟气力输送过程中混凝土在管道内的流动，本节描述了控制方程。

Geometric model

根据喷射混凝土施工现场的实际情况，建立了一个由管道和喷嘴组成的几何模型，如图3所示。管道直径D为60 mm，由水平入口段（长度L₁ = 1000 mm）、一个90°弯头（曲率半径R = 180 mm）和水平出口段（长度L₂ = 2000 mm）组成。喷嘴连接在管道出口，由一个收缩段（L = 270 mm）和一个射流段（L' = 60 mm）构成。

Flow characteristics of particles

使用风速52 m/s、收缩角2°和喂料速率4 kg/s模拟了喷射混凝土在管道中的气力输送过程。图6显示了管道中的颗粒分布，红色箭头指示流动方向。颗粒由管道入口处的颗粒工厂生成，在气流影响下沿直管段向前运动，在进入弯头前最终达到均匀分布（例如Y2截面）。

Conclusion

本研究采用耦合的计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）并结合Archard磨损方程，研究了风速、收缩角和喂料速率对喷射混凝土气力输送过程中喷嘴冲蚀磨损的影响。当收缩角为2°或3°时，喷嘴内壁的磨损集中在入口段附近。严重磨损区域（SWA）随风速增大而增大，呈现近似三角形。当收缩角为4°或5°时，严重磨损区域（SWA）形成于喷嘴的出口段和中段。