基于多相流理论的泵送泡沫混凝土流动特性与机理研究

This project aims to study the flow characteristics and mechanism of pumped foam concrete from the perspective of multiphase flow. The flow characteristics of foam concrete are obtained by combining the rheological test with the hydrodynamic test. The relationship between the physical properties and the flow characteristics of foam concrete will be established, and its flow boundary conditions will be further clarified. Based on the combination of high-speed photography and image analysis, the influences of physical properties and construction parameters on bubble breakage and aggregation behavior will be studied systematically. The surface properties of cement particles and their adsorption properties on foam surface will be studied. The effect of cement particles on bubble breakage and aggregation will be clarified, and a unified crushing and aggregation model will be established. Based on the experimental results, the CFD-PBM coupling model suitable for pumping foam concrete system will be established by modifying the turbulence model and the interphase interaction from the literature. The numerical simulation results will be compared with the experimental results, and the applicability of CFD-PBM coupling model to predict the hydrodynamic behavior of pumped foam concrete will be clarified.

本项目拟从多相流的角度去认识和研究泡沫混凝土在泵送过程中的流动特性及机理。采用流变学测试与流体力学测试相结合的方法，获得泡沫混凝土的流动特性数据，建立泡沫混凝土物性及施工参数与其流动特性的相关关系，并进一步明确泵送泡沫混凝土的流型转换边界条件。利用高速摄影和图像分析相结合的手段，系统研究泡沫混凝土物性及施工参数对气泡破碎与聚并行为的影响，并通过对水泥颗粒表面电性及其在泡沫表面的吸附特性研究，明确水泥颗粒对气泡破碎与聚并的影响，建立统一的破碎与聚并模型。基于实验测定结果，对文献中的湍流模型和相间作用力表征形式进行修正，建立适于泵送泡沫混凝土体系的CFD-PBM耦合模型。并将数值模拟结果与实验结果进行比较，明确CFD-PBM耦合模型对泵送泡沫混凝土的流体力学行为预测的适用范围。

泵送泡沫混凝土是典型的多相流体系，在泵送过程中的状态变化规律难以准确描述，实际应用中也不时发生堵管、浆体不连续等不稳定流动现象，严重影响工程进度和质量。为揭示泡沫混凝土在泵送过程中的流动特性、提供泡沫混凝土制备和泵送参数的优化依据、提高泡沫混凝土浇筑体的稳定性与耐久性，本项目以多相流理论为指导，开展了对泵送泡沫混凝土流动行为特征，泵送泡沫混凝土中气泡破碎与聚并机理，以及泵送泡沫混凝土CFD-PBM耦合模型建立与数值模拟等相关研究工作。本项目获得的重要结果和关键数据包括：在优化制备高稳定性发泡剂的基础上在室内测试中获得了不同状态泡沫混凝土的流动参数；开发了利用微波传感器在线测试泡沫混凝土湿密度的新装置，结合流量、压力和温度在线监测技术，实时获取了管路内泡沫混凝土浆体的气含率、湿密度等数据；实验发现泡沫混凝土中的气泡以双破碎为主，且在低粘度区的浆体粘度对气泡破碎参数的影响不大，高粘度区的气泡破碎速率随着粘度升高显著下降；粘度越大，气泡破碎分率下降，但是气泡破碎时间变化不大；建立了针对泡沫混凝土体系的CFD-PBM模型，计算发现随压力增大，气泡尺寸分布由双峰分布变为单峰分布，同时，气泡尺寸变得更小、更加均匀；对于给定体系，泵送压力为0~5MPa时，泡沫混凝土呈现稳态流动状态；当泵送压力在5MPa~10MPa时，泡沫混凝土呈现气团流状态；当泵送压力大于10MPa时，泡沫混凝土呈现段塞流状态；确定了分区浇筑工艺，制备了适于泵送施工且可提高泡沫土稳定性的早强型轻质复合微球。本项目成果拓展了多相流理论的应用范围，提供了多相流体系物态参数的测试新方法，发展出适于泵送泡沫混凝土体系的CFD-PBM耦合模型，在一定程度上实现了对泵送泡沫混凝土流体行为的预测，对施工设备改进和施工参数优化具有重要指导意义。