[01248120]基于流固两相流的搅拌模型研究和混凝土搅拌系统设计

流固两相流的搅拌模型的研究属于机械设计及理论科学技术领域。

工业搅拌过程中搅拌离析度等高指标的要求，对由搅拌介质质量决定的最终工程质量起着重要作用。

搅拌介质为复杂的两相流条件下，以搅拌介质的离析度等为评价的搅拌机械（机构）设计，是一个复杂机械系统的建模和设计问题。

例如，目前我国自行设计制造混凝土搅拌输送车大多采用机械的模仿国外产品，难以从根本上解决搅拌系统设计理论的问题；其难点在于搅拌系统的搅拌机理难以用传统力学方法建立其流固两相之间的数字化表达。

该项目，以混凝土搅拌运输车搅拌筒中机械、搅和料和传动等的融合设计为具体对象，将设计过程中两相流问题抽象为具有科学技术研究价值的物理模型，用具有自下而上自组织的离散单元法建模方法同自上而下的流体力学理论相结合，综合考虑多目标性能优化设计要求，建立基于离析度最小为主要评价的搅和料的搅拌动力学模型，实现混凝土搅拌运输车搅拌筒中机械、搅和料和传动等的融合的解析；完成了混凝土搅拌运输车搅拌筒系统参数的优化设计，以及以参数化为出发点的搅拌叶片设计的软件系统开发。

具体地讲，该项目提出了将离散单元法和纳维－斯托克斯流体方程结合，建立三维流体-固体两相流数值化模型的解析方法，并相对搅拌筒内搅和料复杂的密相多相流介质特征，建立一种基于柔性化建模思想的颗粒群轨道柔性模型即采用两相耦合的纳维－斯托克斯方程表达流体连续相，即对流体的控制方程采用单元中附加源项法来实现离散颗粒相对连续流体相的反作用耦合，同时运用离散单元法表达颗粒离散相之间的相互作用，其所受外力分解为流体对颗粒的作用力和颗粒与颗粒的碰撞力。

其中颗粒与颗粒的碰撞采用离散单元法进行柔性化建模，从而实现对搅和料和搅拌叶片形态关系的仿真和设计。

此项目，基于课题组在以自下而上自组织的复杂系统建模同自上而下的传统力学理论相结合建模方法的长期研究，目标在于在设计系统中，反映复杂设计问题的非线性动力学本质的同时，实现简单化建模和系统设计。

在此方面项目组在国内外发表了20多篇论文（其中10多篇被SCI和EI收录），出版了3部著作，已申请国家发明专利2项。

该项目的实际应用为：上海交通大学将该项目研究成果应用于三一重工股份有限公司混凝土搅拌运输车搅拌筒的设计和改造。

实现了2003年全年生产、销售搅拌运输车788台，直接利润2370万余元，混凝土系列搅拌运输车性能达到国内领先水平基于该设计理论的系列混凝土搅拌运输车产品已通过国家的标准化测试。

其中以8立方的混凝土搅拌运输车为例，其测试性能为：出料速度1.73（国标≥0.65）立方/分；出料残余率0.56（国标≤4）%；砂浆密度相对误差0.38（国标≤0.8）%；粗骨料质量相对误差2.49（国标≤5）%。

再之，完成的混凝土搅拌运输车搅拌筒参数化设计软件系统，对新的系列机种开发具有快速响应市场需求的特点。

同时，此流固两相流的搅拌模型（已申请国家发明专利），作为我国具有原创性、自主知识产权的搅拌筒设计，对于同类工程介质搅拌、化工搅拌等装备设计中的多相流数字化建模具有指导性意义。