基于EDEM數(shù)值模擬的混料機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊　勇　吳亞丹　龔四海中建材（合肥）機(jī)電工程技術(shù)有限公司，安徽　合肥　230001

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基于EDEM數(shù)值模擬的混料機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊勇吳亞丹龔四海
中建材（合肥）機(jī)電工程技術(shù)有限公司，安徽合肥230001

摘要采用顆粒系統(tǒng)仿真軟件EDEM建立粉料顆粒接觸模型，模擬顆粒在混料機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到了顆粒在混料機(jī)內(nèi)部的速度場(chǎng)分布和顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)利用分析結(jié)果對(duì)混料機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在數(shù)值模擬的過(guò)程中存在以下問(wèn)題：（1）模型的簡(jiǎn)化；（2）計(jì)算顆粒數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞混料機(jī)EDEM數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　引言

粉體物料混合在食品、建材、冶金等許多粉體工程領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，混料工藝過(guò)程和設(shè)備的選擇對(duì)粉體物料混合均勻度有重要的影響。對(duì)先進(jìn)混料裝備的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，目前只能依靠部分經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工藝流程來(lái)進(jìn)行，沒(méi)有對(duì)顆粒在混料設(shè)備中的具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究。近年來(lái)顆粒混合的數(shù)值技術(shù)越來(lái)越多地用于指導(dǎo)混料裝備的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。Yasunobu等[1]利用DEM模擬了螺旋帶混合器內(nèi)顆粒的三維流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)床高對(duì)顆粒的混合和循環(huán)影響很大，Stewart等[2]測(cè)定了攪拌混合器中顆粒的流動(dòng), 同時(shí)通過(guò)DEM獲得混合器內(nèi)三維的數(shù)據(jù)，可以用于指導(dǎo)混合器的設(shè)計(jì)和操作。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混合設(shè)備中顆?；旌线^(guò)程的數(shù)值模擬研究主要側(cè)重于簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)容器臥式混合設(shè)備[3，4]，對(duì)固定容器立式混合設(shè)備的解決辦法也尚未出現(xiàn)，這就使得人們很難更好地開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)效率更高的混料機(jī)器。

本文依托中建材（合肥）機(jī)電工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的新型組合式混料機(jī)為模型（已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)201210243348.4），使用離散元軟件EDEM對(duì)混料機(jī)中顆粒混合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了顆粒在混料機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡和圖形化運(yùn)用信息，通過(guò)模擬結(jié)果優(yōu)化了混料機(jī)結(jié)構(gòu)。立式混料機(jī)如圖1所示。

圖1　混料機(jī)實(shí)物圖

1　離散單元法

1.1離散元素法運(yùn)動(dòng)方程

離散單元法DEM基本理論是把研究對(duì)象劃分為一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的單元，其基本原理主要有兩個(gè)方面：一是根據(jù)接觸理論判斷顆粒接觸，采用接觸模型即力-位移關(guān)系用于單元接觸力的計(jì)算，從而計(jì)算顆粒所受到的合力；二是根據(jù)牛頓第二定律確定顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，用以求解單元的位移、速度和加速度[5]。運(yùn)動(dòng)方程如下：

其中(ui)N為i顆?，F(xiàn)在時(shí)刻位移，(ui)N+1為i顆粒下一時(shí)刻位移、為i顆粒此時(shí)速度、(θi)N為i顆粒此時(shí)刻角位移、(θi)N+2為i顆粒下一時(shí)刻角位移，為i顆粒此時(shí)角速度，△t為間隔時(shí)間，即計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

由上式可以得到顆粒的新的位移值，將該新位移代入力-位移關(guān)系計(jì)算新的作用力，如此反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)跟蹤每個(gè)顆粒在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)。

1.2混合顆粒接觸模型

顆粒混合過(guò)程的實(shí)質(zhì)是通過(guò)容器與顆粒之間以及顆粒與顆粒之間的接觸、碰撞來(lái)傳遞能量，最終達(dá)到促使粒群運(yùn)動(dòng)、混合的目的。顆粒接觸過(guò)程的法向接觸力和切向接觸力分別為：

根據(jù)Hertz接觸理論[6]，法向接觸力為：

根據(jù)Mindlin接觸理論[7]，切向接觸力為：

式中，F(xiàn)n、Fs—分別為顆粒所受外力的法向和切向力；

R1,2—顆粒i、j的半徑；

Y1,2—兩者的等效彈性模量；

G1,2—兩者的等效剪切模量；

δn—法向疊合量；

δt—切向疊合量。

2　EDEM數(shù)值模擬

2.1EDEM軟件簡(jiǎn)介

EDEM是世界上第一個(gè)使用最先進(jìn)的離散元技術(shù)進(jìn)行顆粒系統(tǒng)仿真和分析的通用CAE軟件。它可以快速、簡(jiǎn)便地建立顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，添加顆粒的力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)。EDEM能夠管理每個(gè)顆粒的信息（如質(zhì)量、溫度和速度等）以及作用在其上的力，還提供了非常強(qiáng)大的后處理功能，可以導(dǎo)出3D圖片及動(dòng)畫(huà)，多方式數(shù)據(jù)提取及導(dǎo)出[8]。

2.2混料機(jī)幾何模型建立

混料機(jī)為容器固定式混合設(shè)備，呈立式安裝，由多級(jí)混料室構(gòu)成，各級(jí)混料室中設(shè)置混料盤(pán)和攪拌槳葉。混料機(jī)由上下兩部分構(gòu)成，上部殼體為方形，設(shè)置進(jìn)料口、初級(jí)混料室、預(yù)混料盤(pán)和折流板構(gòu)成，下部殼體為圓筒，主要設(shè)置混料盤(pán)、次級(jí)混料室、固定攪拌槳葉、控料錐和出料口，預(yù)混料盤(pán)和混料機(jī)的結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

本文混料機(jī)模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后使用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件CAD軟件Solidwork建模，該軟件與顆粒離散元分析軟件EDEM有很好的數(shù)據(jù)接口。

圖2　預(yù)混料盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖3　混料機(jī)結(jié)構(gòu)

2.3數(shù)值模擬

2.3.1顆粒模型參數(shù)設(shè)置

為接觸狀態(tài)，易檢測(cè)、計(jì)算簡(jiǎn)便。計(jì)算機(jī)模擬時(shí)硬件設(shè)備需求的內(nèi)存少、處理時(shí)間較短、可分析的顆粒數(shù)多，本文將單元模型簡(jiǎn)化為剛性球體。仿真使用水泥熟料和礦渣粉作為模型原型，兩者的進(jìn)料比例為7：3，顆粒形狀為球形，顆粒和混料機(jī)內(nèi)壁恢復(fù)系數(shù)為0.01，兩種顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)為0.05，顆粒與顆粒以及顆粒與內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)均為0.5。顆粒模型具體參數(shù)如表1所示。

2.3.2物料在混料機(jī)中的離散模擬

本文顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬進(jìn)料方式為連續(xù)進(jìn)料，進(jìn)料時(shí)間為2 s，模擬時(shí)間總長(zhǎng)3.5 s，設(shè)置總進(jìn)料量為10萬(wàn)顆粒/s，水泥熟料和礦渣粉按7∶3連續(xù)進(jìn)料，即水泥熟料70 000顆粒/s，礦渣粉30 000顆粒/s，上盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（300 r/min），下盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（350 r/min），仿真過(guò)程如圖4所示。圖5和圖6分別為顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和顆粒速度場(chǎng)分布圖。

表1　顆粒模型參數(shù)

圖4　顆粒在混料機(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5　顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

圖6　顆粒速度場(chǎng)

3　數(shù)值模擬結(jié)果

3.1顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度分布分析

顆粒經(jīng)過(guò)混料機(jī)后在收集器中收集，顆粒混合效果如圖7所示，從圖7中可以看出，收集器顆?；旌狭己?，進(jìn)料完成后，在混合機(jī)內(nèi)部A、B、C三處有少許積料，其中A、B處由于折流板開(kāi)口積料，C處由于上混料盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)積料。從顆粒在混料機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)看，顆粒進(jìn)入后，在上混料盤(pán)停留時(shí)間太短，經(jīng)過(guò)上混料盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)后，兩種物料各自偏向與來(lái)料方向相對(duì)的一側(cè)。

從顆粒速度場(chǎng)可以看出，顆粒在下混料盤(pán)處速度最大，顆粒經(jīng)混料盤(pán)后速度逐漸降低，落入次混料室最下部斜面殼體速度降至最低。根據(jù)離散元思想原理，在顆粒運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，顆粒與顆粒之間發(fā)生碰撞阻礙彼此的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在上下混料盤(pán)各自相同的轉(zhuǎn)速下，其速度分布較后者明顯。

圖7　顆?；旌闲Ч?/p>

3.2混料機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)整個(gè)進(jìn)料和出料過(guò)程對(duì)混料機(jī)內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬，為解決積料和料流流向問(wèn)題，進(jìn)而增強(qiáng)混料機(jī)的混料效果，提高混料效率，對(duì)部分結(jié)構(gòu)作出如下改進(jìn)：

（1）預(yù)混料盤(pán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)。為增加物料在盤(pán)面上的停留時(shí)間，在預(yù)混料盤(pán)中心增加反向渦輪葉片，如圖8所示。

圖8　改進(jìn)型預(yù)混料盤(pán)

（2）混料機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。防止在物料運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中混料機(jī)內(nèi)部多處折流板積料，新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將各處折流板開(kāi)口封閉，同時(shí)在預(yù)混料盤(pán)上方增加料流分向攪拌葉片，解決料流分流問(wèn)題，混料機(jī)部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖9所示。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文采用顆粒系統(tǒng)仿真軟件EDEM建立了粉料顆粒接觸模型，模擬了顆粒在混料機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到了顆粒在混料機(jī)內(nèi)部的速度場(chǎng)分布和顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)利用分析結(jié)果對(duì)混料機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在數(shù)值模擬的過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

圖9　混料機(jī)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

（1）模型的簡(jiǎn)化。所開(kāi)發(fā)的混料機(jī)基本結(jié)構(gòu)由機(jī)械和氣力混料室構(gòu)成，本文幾何模型僅考慮機(jī)械混料，離散模擬過(guò)程中未考慮次級(jí)混料室下部氣流的作用，忽略的因素必然會(huì)導(dǎo)致一定誤差。

（2）計(jì)算顆粒數(shù)的影響。進(jìn)料量大小對(duì)混合狀態(tài)的真實(shí)展現(xiàn)尤為重要，本文采用10萬(wàn)顆粒/s進(jìn)料量做仿真模擬，而本文所述混料機(jī)為工業(yè)級(jí)水平，應(yīng)采用工業(yè)級(jí)別百萬(wàn)乃至千萬(wàn)級(jí)別顆粒仿真。

通過(guò)對(duì)混料機(jī)混合效果的數(shù)值模擬，優(yōu)化了現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，目前設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，下一步工作計(jì)劃進(jìn)行工業(yè)級(jí)別顆?；旌蠑?shù)值模擬，同時(shí)在模擬仿真過(guò)程中增加混料機(jī)底部的氣流作用，使仿真過(guò)程更貼近實(shí)際情況，以便更好地優(yōu)化混料設(shè)備。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0473(2016)01-0064-04DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.01.013

收稿日期：（2015- 10- 30）