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一种判断 混凝土 泵送过程中堵管 风险性的方法

阅读：271发布：2023-02-13

专利汇可以提供一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法属于建筑工程中混凝土施工技术领域，预测方法包括：基于CFD+DEM耦合方法模拟混凝土在泵管中的流变状态，通过计算机不间断的迭代运算，实时导出泵管中石子与砂浆的空间分布情况。当石子在某一时刻的空间分布密集程度不均匀，出现局部空间位置石子密度骤增的情况，同时速度云图中该位置速度骤减，不再保持规定范围内的波动幅度值时，综合判断会出现堵管风险。，下面是一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，先进行以下定义：
稠度指数k1:Herschel-Bulkley本构模型中表示稠度的一个常参数；通过流变仪对混凝土搅拌时测的扭矩和转速，通过转化，曲线拟合，得到稠度指数；
雷诺数Re:是一种用来表征流体流动情况的无量纲数；
屈服应力σ0:是指对于某些非牛顿流体，施加的剪应力较小时流体只发生变形，不产生流动；当剪应力增大到某一定值时流体才开始流动，此时的剪应力称为该流体的屈服应力；
通过流变仪对混凝土搅拌时测的扭矩和转速，通过转化，曲线拟合，与y轴的截距即为屈服应力；
剪切应力σ:流体力学中，切应力又叫做粘性力，是流体运动时，由于流体的粘性，一部分流体微团作用于另一部分流体微团切向上的力；
幂率指数n:Herschel-Bulkley本构模型中幂的指数，在流体力学中，n是用来反映该流体是剪切变稀或稠流体的直接参数；通过流变仪对混凝土搅拌时测的扭矩和转速，通过转化，曲线拟合，取拟合方程指数部分得到幂率指数；
精度N:在开源软件平台Palabos中，N控制划分底层网格的精度，N越大，表示精度越高；
高度h:模拟泵送的高度；
松弛因子ω:在求解流体力学中的非线性方程时，通过松弛因子ω来控制变量的变化；
它控制每次迭代中变量的更改；也就是说，变量的新值是原始值加上变化量乘以松弛因子；
Palabos软件平台内置其计算函数；
应变速率γ:应变速率是指单位时间内的应变改变量称为应变速率或应变率；
误差项ε:由局部速度场与宏观速度场之间的差值计算得到，当其越小反映速度场的收敛情况越好；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、针对不同强度等级与不同稠度指数的新拌混凝土，分别检测它们的稠度指数k1、雷诺数Re、屈服应力σ0和幂率指数n；
步骤二、针对不同强度等级与不同稠度指数的新拌混凝土，确定该次进行CFD+DEM耦合模拟的新拌混凝土的精度N；其中CFD是采用基于Lattice Boltzmann Method即LBM方法的开源软件平台Palabos，DEM是采用开源软件平台LIGGGHTS；在Linux服务器上部署搭建以上两个软件的工作空间，使其正常工作,并相互调用后台代码从而为CFD+DEM的耦合创建编译运行环境；
步骤三、针对不同强度等级与不同稠度指数的新拌混凝土，以Herschel-Bulkley本构模型σ＝σ0+k1γn为基础，建立新拌混凝土应力-应变率之间的关系，导入精度N、屈服应力σ0、雷诺数Re、幂率指数n和稠度指数k1；
步骤四、根据泵管尺寸与泵送高度h，采用开源软件Palabos建立3D泵送管道模型；应用CFD+DEM耦合模拟混凝土在泵管中的泵送状态；用Palabos模拟砂浆，掺入由软件LIGGGHTS模拟的石子，使其均匀离散化分布在砂浆中；
步骤五、通过流体动力学牛顿迭代算法，模拟分析石子-砂浆固液两相混合流相互作用，实现泵送混凝土的过程；在每一步迭代运算中，通过调用内置的获取ω的函数可计算出局部网格处的松弛因子ω，再将松弛因子作为实际参数,根据内置BGK动力学类创建BGK动力学模型对象；再通过开源软件内置多块3D类创建网格对象，其实际参数为x，y，z三轴方向上的格子数，以及上一步中创建的BGK动力学对象；格子对象调用内置的局部密度分布函数和局部速度场函数，均以x，y，z三轴方向上的格子数为实际参数；局部速度场与宏观设置的平均速度场进行差值运算，当差值逐渐接近零时，说明计算结果收敛并导出内部石子和砂浆的空间位置场和速度场，通过这两个场云图直观地形成一种基于CFD+DEM耦合后模拟得到的评价混凝土泵送顺畅性即堵管风险性的方法；具体判别标准如下：
1)当石子的某一时刻的空间分布密集程度不均匀，出现局部空间位置混凝土密度骤减，即小于整体平均密度的15％时，该新拌混凝土会发生堵管；
2)当石子速度场云图中某位置速度骤减，不再保持有限范围内的波动，即局部速度减小超过50％时，该新拌混凝土会发生堵管；
3)若新拌混凝土的速度场云图收敛后，即局部速度场u与宏观设置的平均速度场U进行差值运算，当|U-u|逐渐趋近于0时，该新拌混凝土适宜泵送。

说明书全文

一种判断混凝土 泵送过程中堵管 风险性的方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑工程中混凝土施工技术领域，特别涉及一种判断新拌混凝土在泵送过程中堵管风险性的方法。

背景技术

[0002] 目前我国工程建设的规模和技术难度居于全球领先水平，各种超高、超长、超深、超大型结构不断推陈出新，例如，世界前10高度的超高层建筑有6座在中国，因此对混凝土施工性能、力学性能和耐久性提出了更高的要求，C60及以上等级的高强混凝土在高层建筑、大跨径桥梁、大型公共建筑等工程中广泛应用，并且混凝土的主要施工方式是泵送，在混凝土泵的压力推动下沿输送管道将混凝土运输至施工面。因此研究泵送高强混凝土的施工稳定性具有重要的理论价值和工程实践意义。

[0003] 然而，工程实践表明泵送高强混凝土存在一系列问题亟需解决，突出表现在：高强混凝土粘度大、流动性差，导致泵送压力大、泵送施工困难，容易出现堵管现象，给施工企业造成重大损失。已有经验评价方法难以全面预测和评价高强混凝土的泵送性能与可泵性。因此，亟待提出能够准确判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，解决泵送高强混凝土面临着泵送性能控制困难的问题。

发明内容

[0004] 目前高强混凝土粘度大、流动性差，导致泵送压力大、泵送施工困难，已有经验评价方法难以全面预测和评价高强混凝土的可泵性。本发明提供了一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，通过基于CFD+DEM耦合的形式，建立分析新拌混凝土流变机制和泵送性能的数值仿真模拟方法，预测与判断混凝土泵送过程中堵管风险性。

[0005] 本发明解决所采用的技术方案是：

[0006] 步骤一、针对不同强度等级与不同稠度指数的新拌混凝土，分别检测它们的稠度指数k1、雷诺数Re、屈服应力σ0和幂率指数n；

[0007] 步骤二、针对不同强度等级与不同稠度指数的新拌混凝土，确定该次进行CFD+DEM耦合模拟的新拌混凝土的精度N。其中CFD是采用基于Lattice Boltzmann Method(LBM)方法的开源软件平台Palabos，DEM是采用开源软件平台LIGGGHTS。在Linux服务器上部署搭建以上两个软件的工作空间，使其可以正常工作,并可以相互调用后台代码从而为CFD+DEM的耦合创建编译运行环境；

[0008] 步骤三、针对不同强度等级与不同稠度指数的新拌混凝土，以Herschel-Bulkley本构模型σ＝σ0+k1γw为基础，建立新拌混凝土应力-应变率之间的关系，导入精度N、屈服应力σ0、雷诺数Re、幂率指数n和稠度指数k1；

[0009] 步骤四、根据泵管尺寸与泵送高度h，采用开源软件Palabos建立3D泵送管道模型。应用CFD+DEM耦合模拟混凝土在泵管中的泵送状态；用Palabos模拟砂浆，掺入由软件LIGGGHTS模拟的石子，使其均匀离散化分布在砂浆中。

[0010] 步骤五、通过流体动力学牛顿迭代算法，模拟分析石子-砂浆固液两相混合流相互作用，实现泵送混凝土的过程。在每一步迭代运算中，通过调用内置的获取ω的函数可计算出局部网格处的松弛因子ω，再将松弛因子作为实际参数,根据内置BGK动力学类创建BGK动力学模型对象。再通过开源软件内置多块3D类创建网格对象，其实际参数为x，y，z三轴方向上的格子数，以及上一步中创建的BGK动力学对象。格子对象调用内置的局部密度分布函数和局部速度场函数，均以x，y，z三轴方向上的格子数为实际参数。局部速度场与宏观设置的平均速度场进行差值运算，当差值逐渐接近零时，说明计算结果收敛并导出内部石子和砂浆的空间位置场和速度场，便可通过这两个场云图直观地形成一种基于CFD+DEM耦合后模拟得到的评价混凝土泵送顺畅性(即堵管风险性)的方法。具体判别标准如下：

[0011] 1)当石子的某一时刻的空间分布密集程度不均匀，出现局部空间位置混凝土密度骤减，即小于整体平均密度的15％时，该新拌混凝土会发生堵管；

[0012] 2)当石子速度场云图中某位置速度骤减，不再保持有限范围内的波动，即局部速度减小超过50％时，该新拌混凝土会发生堵管；

[0013] 3)若新拌混凝土的速度场云图收敛后，即局部速度场u与宏观设置的平均速度场U进行差值运算，当|U-u|逐渐趋近于0时，该新拌混凝土适宜泵送。

[0014] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0015] (1)本发明提供的一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，不需要进行实际泵送施工检测，只需要通过计算机模拟导出泵管中混凝土内部石子与砂浆的速度场和空间场云图，就能够判断泵送过程中堵管的风险性，该方法科学有效、方便快捷且经济性好、实用性好，能有效满足工程实际需要；

[0016] (2)本发明可以多次模拟得到各种新拌混凝土的综合成本、稠度指数、雷诺数等参数，进而拟合出各种混凝土综合成本与稠度指数、雷诺数之间的关系曲线，确定适合泵送的混凝土稠度指数、雷诺数等关键指标上限值，避免混凝土实际泵送施工时泵机选型错误、设备能耗大等问题，从而大幅提高混凝土泵送施工安全性。附图说明

[0017] 图1是实施例1的空间分布密度云图：

[0018] 图2是实施例2的空间速度场云图：

[0019] 图3是实施例3的空间速度场云图：

[0020] 具体实施方式一：

[0021] 一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，下面结合具体实施方式，对本方法作进一步详细说明：

[0022] 步骤一，一种新拌混凝土，检测其稠度指数k1＝2.0、雷诺数Re＝2000、屈服应力σ0＝180pa和幂率指数n＝1.8；

[0023] 步骤二，确定该次进行CFD+DEM耦合模拟的新拌混凝土的精度N＝100。其中CFD是采用基于Lattice Boltzmann Method(LBM)方法的开源软件平台Palabos，DEM是采用开源软件平台LIGGGHTS。在Linux服务器上部署搭建以上两个软件的工作空间，使其可以正常工作,并可以相互调用后台代码从而为CFD+DEM的耦合创建编译运行环境；

[0024] 步骤三，以Herschel-Bulkley本构模型σ＝σ0+k1γn为基础，建立新拌混凝土应力-应变率之间的关系，导入精度N＝100、屈服应力σ0＝180pa、雷诺数Re＝2000、幂率指数n＝1.8和稠度指数k1＝1.8；

[0025] 步骤四，根据泵管尺寸与泵送高度h＝500m，采用开源软件Palabos建立3D泵送管道模型。应用CFD+DEM耦合模拟混凝土在泵管中的泵送状态；用Palabos模拟砂浆，掺入由软件LIGGGHTS模拟的石子，使其均匀离散化分布在砂浆中。

[0026] 步骤五，通过流体动力学牛顿迭代算法，模拟分析石子-砂浆固液两相混合流相互作用，实现泵送混凝土的过程。在每一步迭代运算中，通过调用内置的获取ω的函数可计算出局部网格处的松弛因子ω，再将松弛因子作为实际参数,根据内置BGK动力学类创建BGK动力学模型对象。再通过开源软件内置多块3D类创建网格对象，其实际参数为x，y，z三轴方向上的格子数，以及上一步中创建的BGK动力学对象。格子对象调用内置的局部密度分布函数和局部速度场函数，均以x，y，z三轴方向上的格子数为实际参数。局部速度场与宏观设置的平均速度场进行差值运算，当差值逐渐接近零时，说明计算结果收敛并导出内部石子和砂浆的空间位置场和速度场，便可通过这两个场云图直观地形成一种基于CFD+DEM耦合后模拟得到的评价混凝土泵送顺畅性(即堵管风险性)的方法。

[0027] 由图1可发现上部空间位置混凝土密度较小，比整体平均密度低16.54％，因此判断该新拌混凝土会发生堵管。

[0028] 具体实施方式二：

[0029] 一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，下面结合具体实施方式，对本方法作进一步详细说明：

[0030] 步骤一，一种新拌混凝土，检测其稠度指数k1＝1.8、雷诺数Re＝2300、屈服应力σ0＝190pa和幂率指数n＝1.9；

[0031] 步骤二，确定该次进行CFD+DEM耦合模拟的新拌混凝土的精度N＝100。其中CFD是采用基于Lattice Boltzmann Method(LBM)方法的开源软件平台Palabos，DEM是采用开源软件平台LIGGGHTS。在Linux服务器上部署搭建以上两个软件的工作空间，使其可以正常工作,并可以相互调用后台代码从而为CFD+DEM的耦合创建编译运行环境；

[0032] 步骤三，以Herschel-Bulkley本构模型σ＝σ0+k1γn为基础，建立新拌混凝土应力-应变率之间的关系，导入精度N＝100、屈服应力σ0＝190pa、雷诺数Re＝2300、幂率指数n＝1.9和稠度指数k1＝1.8；

[0033] 步骤四，根据泵管尺寸与泵送高度h＝600m，采用开源软件Palabos建立3D泵送管道模型。应用CFD+DEM耦合模拟混凝土在泵管中的泵送状态；用Palabos模拟砂浆，掺入由软件LIGGGHTS模拟的石子，使其均匀离散化分布在砂浆中。

[0034] 步骤五，通过流体动力学牛顿迭代算法，模拟分析石子-砂浆固液两相混合流相互作用，实现泵送混凝土的过程。在每一步迭代运算中，通过调用内置的获取ω的函数可计算出局部网格处的松弛因子ω，再将松弛因子作为实际参数,根据内置BGK动力学类创建BGK动力学模型对象。再通过开源软件内置多块3D类创建网格对象，其实际参数为x，y，z三轴方向上的格子数，以及上一步中创建的BGK动力学对象。格子对象调用内置的局部密度分布函数和局部速度场函数，均以x，y，z三轴方向上的格子数为实际参数。局部速度场与宏观设置的平均速度场进行差值运算，当差值逐渐接近零时，说明计算结果收敛并导出内部石子和砂浆的空间位置场和速度场，便可通过这两个场云图直观地形成一种基于CFD+DEM耦合后模拟得到的评价混凝土泵送顺畅性(即堵管风险性)的方法。

[0035] 由图2可发现上部速度场云图中速度骤减，局部速度减小了94.11％，判断该新拌混凝土会发生堵管。

[0036] 具体实施方式三：

[0037] 一种判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法，下面结合具体实施方式，对本方法作进一步详细说明：

[0038] 步骤一，一种新拌混凝土，检测其稠度指数k1＝2.1、雷诺数Re＝2100、屈服应力σ0＝170pa和幂率指数n＝1.7；

[0039] 步骤二，确定该次进行CFD+DEM耦合模拟的新拌混凝土的精度N＝100。其中CFD是采用基于Lattice Boltzmann Method(LBM)方法的开源软件平台Palabos，DEM是采用开源软件平台LIGGGHTS。在Linux服务器上部署搭建以上两个软件的工作空间，使其可以正常工作,并可以相互调用后台代码从而为CFD+DEM的耦合创建编译运行环境；

[0040] 步骤三，以Herschel-Bulkley本构模型σ＝σ0+k1γn为基础，建立新拌混凝土应力-应变率之间的关系，导入精度N＝100、屈服应力σ0＝170pa、雷诺数Re＝2100、幂率指数n＝1.7和稠度指数k1＝2.1；

[0041] 步骤四，根据泵管尺寸与泵送高度h＝450m，采用开源软件Palabos建立3D泵送管道模型。应用CFD+DEM耦合模拟混凝土在泵管中的泵送状态；用Palabos模拟砂浆，掺入由软件LIGGGHTS模拟的石子，使其均匀离散化分布在砂浆中。

[0042] 步骤五，通过流体动力学牛顿迭代算法，模拟分析石子-砂浆固液两相混合流相互作用，实现泵送混凝土的过程。在每一步迭代运算中，通过调用内置的获取ω的函数可计算出局部网格处的松弛因子ω，再将松弛因子作为实际参数,根据内置BGK动力学类创建BGK动力学模型对象。再通过开源软件内置多块3D类创建网格对象，其实际参数为x，y，z三轴方向上的格子数，以及上一步中创建的BGK动力学对象。格子对象调用内置的局部密度分布函数和局部速度场函数，均以x，y，z三轴方向上的格子数为实际参数。局部速度场与宏观设置的平均速度场进行差值运算，当差值逐渐接近零时，说明计算结果收敛并导出内部石子和砂浆的空间位置场和速度场，便可通过这两个场云图直观地形成一种基于CFD+DEM耦合后模拟得到的评价混凝土泵送顺畅性(即堵管风险性)的方法。

[0043] 由图3可发现新拌混凝土的速度场云图收敛，局部速度场u与宏观设置的平均速度场U进行差值运算，|U-u|＝0.0000154，判断该新拌混凝土适宜泵送。

[0044] 综上所述，本发明提供了一种科学、准确、有效、经济的评价新拌混凝土泵送顺畅性的预测方法，该方法基于CFD+DEM耦合的原理，参考稠度指数、雷诺数、屈服应力、幂率指数n、模拟精度N等控制指标，开发了一种有效且经济性好的判断混凝土泵送过程中堵管风险性的方法。最大程度地避免了泵送施工风险，降低了成本，能够满足现代混凝土泵送施工需求，显著降低堵管、爆管等事故的发生。

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