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

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基于EDEM數(shù)值模擬的混料機結構優(yōu)化

楊勇吳亞丹龔四海
中建材（合肥）機電工程技術有限公司，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，模擬顆粒在混料機內(nèi)部的運動狀態(tài)，得到了顆粒在混料機內(nèi)部的速度場分布和顆粒的運動軌跡。同時利用分析結果對混料機結構進行優(yōu)化。在數(shù)值模擬的過程中存在以下問題：（1）模型的簡化；（2）計算顆粒數(shù)的影響。

關鍵詞混料機EDEM數(shù)值模擬結構優(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域都有廣泛應用，混料工藝過程和設備的選擇對粉體物料混合均勻度有重要的影響。對先進混料裝備的開發(fā)和設計，目前只能依靠部分經(jīng)驗數(shù)據(jù)和工藝流程來進行，沒有對顆粒在混料設備中的具體運動過程進行研究。近年來顆?；旌系臄?shù)值技術越來越多地用于指導混料裝備的開發(fā)和設計。Yasunobu等[1]利用DEM模擬了螺旋帶混合器內(nèi)顆粒的三維流動，發(fā)現(xiàn)床高對顆粒的混合和循環(huán)影響很大，Stewart等[2]測定了攪拌混合器中顆粒的流動, 同時通過DEM獲得混合器內(nèi)三維的數(shù)據(jù)，可以用于指導混合器的設計和操作。目前，國內(nèi)外對混合設備中顆?；旌线^程的數(shù)值模擬研究主要側重于簡單的回轉容器臥式混合設備[3，4]，對固定容器立式混合設備的解決辦法也尚未出現(xiàn)，這就使得人們很難更好地開發(fā)和設計效率更高的混料機器。

本文依托中建材（合肥）機電工程技術有限公司開發(fā)的新型組合式混料機為模型（已獲國家發(fā)明專利，專利號201210243348.4），使用離散元軟件EDEM對混料機中顆?；旌线^程進行數(shù)值模擬，得到了顆粒在混料機內(nèi)部的運動軌跡和圖形化運用信息，通過模擬結果優(yōu)化了混料機結構。立式混料機如圖1所示。

圖1　混料機實物圖

1　離散單元法

1.1離散元素法運動方程

離散單元法DEM基本理論是把研究對象劃分為一個個相互獨立的單元，其基本原理主要有兩個方面：一是根據(jù)接觸理論判斷顆粒接觸，采用接觸模型即力-位移關系用于單元接觸力的計算，從而計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動方程，用以求解單元的位移、速度和加速度[5]。運動方程如下：

其中(ui)N為i顆粒現(xiàn)在時刻位移，(ui)N+1為i顆粒下一時刻位移、為i顆粒此時速度、(θi)N為i顆粒此時刻角位移、(θi)N+2為i顆粒下一時刻角位移，為i顆粒此時角速度，△t為間隔時間，即計算時間步長。

由上式可以得到顆粒的新的位移值，將該新位移代入力-位移關系計算新的作用力，如此反復循環(huán)，實現(xiàn)跟蹤每個顆粒在任意時刻的運動。

1.2混合顆粒接觸模型

顆粒混合過程的實質(zhì)是通過容器與顆粒之間以及顆粒與顆粒之間的接觸、碰撞來傳遞能量，最終達到促使粒群運動、混合的目的。顆粒接觸過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軟件簡介

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

2.2混料機幾何模型建立

混料機為容器固定式混合設備，呈立式安裝，由多級混料室構成，各級混料室中設置混料盤和攪拌槳葉?；炝蠙C由上下兩部分構成，上部殼體為方形，設置進料口、初級混料室、預混料盤和折流板構成，下部殼體為圓筒，主要設置混料盤、次級混料室、固定攪拌槳葉、控料錐和出料口，預混料盤和混料機的結構分別如圖2和圖3所示。

本文混料機模型經(jīng)過簡化后使用三維機械設計軟件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　預混料盤結構

圖3　混料機結構

2.3數(shù)值模擬

2.3.1顆粒模型參數(shù)設置

為接觸狀態(tài)，易檢測、計算簡便。計算機模擬時硬件設備需求的內(nèi)存少、處理時間較短、可分析的顆粒數(shù)多，本文將單元模型簡化為剛性球體。仿真使用水泥熟料和礦渣粉作為模型原型，兩者的進料比例為7：3，顆粒形狀為球形，顆粒和混料機內(nèi)壁恢復系數(shù)為0.01，兩種顆粒之間的恢復系數(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物料在混料機中的離散模擬

本文顆粒運動數(shù)值模擬進料方式為連續(xù)進料，進料時間為2 s，模擬時間總長3.5 s，設置總進料量為10萬顆粒/s，水泥熟料和礦渣粉按7∶3連續(xù)進料，即水泥熟料70 000顆粒/s，礦渣粉30 000顆粒/s，上盤逆時針旋轉（300 r/min），下盤順時針旋轉（350 r/min），仿真過程如圖4所示。圖5和圖6分別為顆粒運動狀態(tài)和顆粒速度場分布圖。

表1　顆粒模型參數(shù)

圖4　顆粒在混料機中的運動軌跡

圖5　顆粒運動狀態(tài)圖

圖6　顆粒速度場

3　數(shù)值模擬結果

3.1顆粒運動狀態(tài)和速度分布分析

顆粒經(jīng)過混料機后在收集器中收集，顆粒混合效果如圖7所示，從圖7中可以看出，收集器顆?；旌狭己茫M料完成后，在混合機內(nèi)部A、B、C三處有少許積料，其中A、B處由于折流板開口積料，C處由于上混料盤驅動電機平臺設計為平面結構積料。從顆粒在混料機內(nèi)部的運動狀態(tài)來看，顆粒進入后，在上混料盤停留時間太短，經(jīng)過上混料盤高速旋轉后，兩種物料各自偏向與來料方向相對的一側。

從顆粒速度場可以看出，顆粒在下混料盤處速度最大，顆粒經(jīng)混料盤后速度逐漸降低，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，在顆粒運動的過程中，顆粒與顆粒之間發(fā)生碰撞阻礙彼此的相對運動，在上下混料盤各自相同的轉速下，其速度分布較后者明顯。

圖7　顆?；旌闲Ч?/p>

3.2混料機結構優(yōu)化

通過整個進料和出料過程對混料機內(nèi)部顆粒運動的數(shù)值模擬，為解決積料和料流流向問題，進而增強混料機的混料效果，提高混料效率，對部分結構作出如下改進：

（1）預混料盤結構改進。為增加物料在盤面上的停留時間，在預混料盤中心增加反向渦輪葉片，如圖8所示。

圖8　改進型預混料盤

（2）混料機結構優(yōu)化。防止在物料運動的過程中混料機內(nèi)部多處折流板積料，新設計結構將各處折流板開口封閉，同時在預混料盤上方增加料流分向攪拌葉片，解決料流分流問題，混料機部分結構優(yōu)化如圖9所示。

4　結束語

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內(nèi)部的運動狀態(tài)，得到了顆粒在混料機內(nèi)部的速度場分布和顆粒的運動軌跡，同時利用分析結果對混料機結構進行優(yōu)化。在數(shù)值模擬的過程中存在以下問題：

圖9　混料機優(yōu)化后結構

（1）模型的簡化。所開發(fā)的混料機基本結構由機械和氣力混料室構成，本文幾何模型僅考慮機械混料，離散模擬過程中未考慮次級混料室下部氣流的作用，忽略的因素必然會導致一定誤差。

（2）計算顆粒數(shù)的影響。進料量大小對混合狀態(tài)的真實展現(xiàn)尤為重要，本文采用10萬顆粒/s進料量做仿真模擬，而本文所述混料機為工業(yè)級水平，應采用工業(yè)級別百萬乃至千萬級別顆粒仿真。

通過對混料機混合效果的數(shù)值模擬，優(yōu)化了現(xiàn)設備結構，目前設備現(xiàn)場使用效果良好，下一步工作計劃進行工業(yè)級別顆?；旌蠑?shù)值模擬，同時在模擬仿真過程中增加混料機底部的氣流作用，使仿真過程更貼近實際情況，以便更好地優(yōu)化混料設備。

參考文獻

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[2] Stewartrl, Bridgwater, ZhouYC, etal. Simulated and measured flow of granules in bladed mixer- adetailed comparison[J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56:5 457- 5 471.

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[6] Johnson KL（英）著.接觸力學.徐秉業(yè)等譯.北京：高等教育出版社, 1992.

[7] Midndilin R D，Deresjewicz H.Elastic spheres in contact under varying oblique force. J Appl Mech,1953,20(3);327~344.

[8] Stewartrl, Bridgwater, ZhouYC, etal. Simulated and measured flow of granules in bladed mixer- adetailed comparison[J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56:5 457- 5 471.

中圖分類號：TQ051.7

文獻標識碼：A

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

收稿日期：（2015- 10- 30）