韓祺祺

中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250101

轉(zhuǎn)筒干燥器抄板的數(shù)值模擬

韓祺祺*

中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250101

采用離散單元法研究轉(zhuǎn)筒干燥器抄板形式及轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒混合程度的影響。抄板形式和轉(zhuǎn)筒干燥器轉(zhuǎn)速在不同程度上影響顆粒的混合。相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)筒干燥器內(nèi)設(shè)組合抄板時(shí)混合較優(yōu)。

轉(zhuǎn)筒干燥器 離散單元法 抄板

轉(zhuǎn)筒干燥器主體為略帶傾斜或水平的并能周期旋轉(zhuǎn)的圓筒。濕顆粒物料在其一端加入，與通過轉(zhuǎn)筒內(nèi)的高溫氣體或熱壁面有效地接觸，從而使顆粒干燥。轉(zhuǎn)筒干燥器是一種既受高溫加熱干燥物料又兼輸送的設(shè)備，且其因運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、操作彈性大，廣泛應(yīng)用在化工、食品、建材、冶金等行業(yè)。抄板是轉(zhuǎn)筒干燥器的重要部件，其作用是將物料抄起來并使顆粒物料均勻地散布在整個(gè)筒體內(nèi)。抄板將物料撒向熱氣流中，使熱氣流與物料充分接觸，強(qiáng)化物料與熱氣流的熱質(zhì)交換，促進(jìn)干燥過程的進(jìn)行。抄板的形式及數(shù)量直接影響轉(zhuǎn)筒干燥器的熱效率和干燥強(qiáng)度。

近年來，離散單元法廣泛地應(yīng)用于顆粒運(yùn)動(dòng)的研究。該方法分析單顆粒的受力，并跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而可以獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)信息。目前，文獻(xiàn)中對(duì)轉(zhuǎn)筒干燥器中顆粒混合特性的研究相對(duì)較少，而工業(yè)應(yīng)用中需要獲得轉(zhuǎn)筒內(nèi)部物料顆粒的分布情況和運(yùn)動(dòng)軌跡等，用于指導(dǎo)轉(zhuǎn)筒干燥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)提高干燥器性能。

本文采用離散單元法，對(duì)轉(zhuǎn)筒干燥器內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算中考慮了轉(zhuǎn)筒內(nèi)的每一個(gè)顆粒，并考慮每個(gè)顆粒的重力、顆粒間的碰撞力和摩擦力，建立數(shù)學(xué)模型；著重探討滾筒轉(zhuǎn)速、內(nèi)部抄板形式這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)滾筒中顆粒混合的影響。

1 物理模型及求解

對(duì)于顆粒在轉(zhuǎn)筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，采用工程矢量力學(xué)、彈性力學(xué)及材料力學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)筒中的每個(gè)顆粒進(jìn)行受力分析，考慮了顆粒間的碰撞力，顆粒與轉(zhuǎn)筒壁、抄板的接觸力，顆粒自身重力。在合力的作用下，某些顆粒會(huì)受到矩的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，比如當(dāng)兩個(gè)顆粒發(fā)生偏心碰撞，顆粒與轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒壁接觸等情況。

1.1 顆粒間的碰撞

對(duì)于顆粒間相互作用的碰撞過程，采用Cundall和Strack[1]提出的離散單元法模型(DEM)。目前DEM在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟。這種方法能夠獲得所有顆粒的在任意時(shí)刻的位置、速度等信息，此方法已成為研究顆粒流動(dòng)的重要工具。在DEM中，顆粒間的相互作用通過圖1的力學(xué)系統(tǒng)[2]來模擬，接觸力分解為彈性力和阻尼力。

圖1 兩顆粒接觸力模型

設(shè)顆粒j作用于顆粒i上接觸力的法向分量為fn,ij。則fn,ij為彈性力與阻尼力在法向上的投影和，即

fn,ij=κnδnnij+ηnvn,ij

式中， δn為法向力產(chǎn)生的顆粒位移；κn和ηn分別為法向上的剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)；vn,ij為顆粒i相對(duì)于顆粒j在法向上的相對(duì)速度。

根據(jù)庫侖摩擦定律，顆粒j作用于顆粒i上接觸力的切向分量[3]：

式中，δt為切向力產(chǎn)生的顆粒位移；κt和ηt分別為切向上的剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)；vt,ij為接觸點(diǎn)在切向的相對(duì)速度，即滑移速度；μ為摩擦系數(shù)。

同一瞬時(shí)，顆粒i可能與多個(gè)顆粒發(fā)生碰撞。所以，作用于顆粒i上總的接觸力與總的轉(zhuǎn)矩：

1.2 顆粒與轉(zhuǎn)筒壁碰撞

當(dāng)顆粒質(zhì)心距轉(zhuǎn)筒壁的垂直距離小于顆粒半徑時(shí)，則顆粒與轉(zhuǎn)筒壁發(fā)生碰撞。碰撞時(shí)，將轉(zhuǎn)筒邊壁視為一個(gè)大“顆?！? 此“顆?！钡乃俣葹檗D(zhuǎn)筒壁的線速度v=ω·r，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零。

1.3 顆粒與抄板碰撞

當(dāng)顆粒質(zhì)心距抄板的垂直距離小于顆粒半徑時(shí), 則顆粒與抄板發(fā)生碰撞。碰撞時(shí)，將抄板壁視為一個(gè)大“顆?！? 此“顆粒”的速度為顆粒與抄板壁接觸點(diǎn)的線速度v=ωr，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零。

1.4 顆粒的運(yùn)動(dòng)

在任何時(shí)刻顆粒的運(yùn)動(dòng)方程可表示：

式中，kc為同一瞬時(shí)與顆粒i接觸的顆粒數(shù)。

1.5 模型求解

本文采用LIGGGHTS?軟件[4]進(jìn)行模型求解。LIGGGHTS(LAMMPSImprovedforGeneralGranularandGranularHeatTransferSimulations)是一款開源的離散元方法的粒子模擬軟件，主要應(yīng)用于顆粒運(yùn)動(dòng)和顆粒傳熱模擬。 該軟件基于分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS開發(fā)，由于顆粒運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)的物理模型和算法類似，LAMMPS可以作為模擬顆粒運(yùn)動(dòng)的一個(gè)很好的平臺(tái)。LIGGGHTS繼承了LAMMPS模擬顆粒的所有功能，如編碼結(jié)構(gòu)的易讀性，靈活的腳本語言，高效的并行計(jì)算等。同時(shí)，LIGGGHTS還可以從CAD導(dǎo)入和處理復(fù)雜的幾何模型，對(duì)于移動(dòng)的幾何體可以采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格等，其功能與EDEM具有一定相似性。

2 模擬計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 模擬計(jì)算條件

表1給出了本文的數(shù)值計(jì)算條件。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

2.2 抄板形式及轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速對(duì)混合效果的影響

抄板形式分別采用直角抄板和直抄板。抄板隨轉(zhuǎn)筒干燥器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)角速度分別為0.75r/s、0.5r/s、0.25r/s。抄板形式見圖2，模擬計(jì)算結(jié)果見圖3、4。

圖2 抄板形式

圖3 不同轉(zhuǎn)速下直角抄板對(duì)顆粒分布的影響

由圖3可見，顆粒顏色表示顆粒的速度值。顆粒拋落后，在重力作用下做加速運(yùn)動(dòng)，落在轉(zhuǎn)筒上的速度約為2.2m/s。轉(zhuǎn)筒干燥器采用直角抄板，由于直角擋板的阻擋，物料在前半周時(shí)拋落較少。當(dāng)轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)半周后，大部分物料開始拋落，故物料主要分布于轉(zhuǎn)筒左側(cè)空間。物料顆粒成束狀拋下，顆粒分布較為集中。由于物料主要在轉(zhuǎn)筒左側(cè)拋落，而熱空氣主要從轉(zhuǎn)筒中間及右側(cè)的“風(fēng)洞”通過，降低了物料與熱空氣的接觸面積及接觸時(shí)間，使干燥器處于低效的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增加，顆粒分布更加集中于轉(zhuǎn)筒左側(cè)，分布效果變差。所以，直角抄板較適合轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速低的情況。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下直抄板對(duì)顆粒分布的影響

由圖4可見，轉(zhuǎn)筒干燥器設(shè)直抄板時(shí)，由于缺少直角擋板的阻擋，物料抄起后很快便拋落，使物料分布在轉(zhuǎn)筒右側(cè)空間。同樣，物料顆粒成束狀拋下，顆粒與熱空氣的接觸面積較小，干燥器效率較低。轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增加，顆粒的切向線速度增加，顆粒從抄板拋落后靠轉(zhuǎn)筒中間分布。但隨著轉(zhuǎn)速增加，顆粒分布變得更加集中，顆粒成團(tuán)拋落，減少了顆粒與熱空氣的接觸面積。

2.3 抄板形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使物料在干燥器筒體內(nèi)形成良好、穩(wěn)定的料幕，提高物料在筒體截面上的分散度，增加物料與熱空氣的接觸面積，使干燥器處于高效傳熱狀態(tài)，筆者設(shè)計(jì)了組合型抄板，見圖5。組合型抄板采用直抄板與135°彎抄板組合，抄板與筒體焊接固定。

圖5 組合型抄板形式

不同轉(zhuǎn)速下組合型抄板對(duì)顆粒分布的影響見圖6。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下組合型抄板對(duì)顆粒分布的影響

從圖6可見，采用組合型抄板，顆粒在轉(zhuǎn)筒橫截面分布較均勻，混合效果較好。當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，顆粒主要分布在轉(zhuǎn)筒右側(cè)；隨著轉(zhuǎn)速增加，顆粒在整個(gè)轉(zhuǎn)筒橫截面內(nèi)均勻分布；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，顆粒趨向于成團(tuán)拋落，顆粒分布效果變差。顆粒在轉(zhuǎn)筒內(nèi)分布均勻的主要原因是不同形式的抄板“抄起-拋落”顆粒的周期不同。直抄板抄起的顆粒首先拋落，顆粒集中在轉(zhuǎn)筒右側(cè)；彎抄板抄起的顆粒拋落時(shí)間較晚，顆粒集中在轉(zhuǎn)筒左側(cè)。顆粒在不同時(shí)間拋落，使得顆粒在筒體內(nèi)分布較為均勻。

3 結(jié)語

(1)采用離散單元法對(duì)轉(zhuǎn)筒干燥器內(nèi)顆粒的混合進(jìn)行了數(shù)值研究。

(2)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速及抄板形式對(duì)轉(zhuǎn)筒干燥器中顆粒的分布均有重要影響。在不同轉(zhuǎn)速下，采用組合型抄板時(shí)，顆粒在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的混合效果均較好。

(3)為優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)筒干燥器，需要綜合考慮抄板形式及轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)筒干燥器內(nèi)顆粒的較優(yōu)混合。本結(jié)果為轉(zhuǎn)筒干燥器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1PeterACundall,OttoDLStrack.Adiscretenumericalmodelforgranularassemblies[J].eotechnique, 1979, 29(1): 47-65.

2 Clayton T Crowe, John D Schwarzkopf, Martin Sommerfeld, Yutaka Tsuji. Multiphase flows with droplets and particles[M]: CRC press, 2011.

3 N. G. Deen, M. Van Sint Annaland, M. A. Van der Hoef, J. A. M. Kuipers. Review of discrete particle modeling of fluidized beds[J].ChemicalEngineeringScience, 2007, 62(1): 28-44.

4 C. Kloss, C. Goniva, A. Hager, S. Amberger, S. Pirker. Models, algorithms and validation for opensource DEM and CFD-DEM[J].ProgressinComputationalFluidDynamics, an International Journal, 2012, 12(2): 140-152.

2017-02-23)

*韓祺祺：助理工程師。2014年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。 聯(lián)系電話：(0531)55656254，E-mail：hanqiqi_@126.com。