張立棟，程碩，李連好，李少華，王擎

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滾筒內(nèi)柱體內(nèi)構(gòu)件對(duì)二元顆粒體系混合的影響

張立棟，程碩，李連好，李少華，王擎

（東北電力大學(xué)油頁(yè)巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林吉林 132012）

針對(duì)滾筒內(nèi)二元顆粒體系在混合過(guò)程中產(chǎn)生的混合死區(qū)現(xiàn)象，提出在混合死區(qū)位置設(shè)置柱體內(nèi)構(gòu)件的增混方式，以接觸數(shù)作為混合評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用離散單元法研究柱體內(nèi)構(gòu)件對(duì)二元顆粒體系運(yùn)動(dòng)混合的影響，并分析其增混機(jī)理。研究結(jié)果表明：柱體內(nèi)構(gòu)件很大程度上破壞了聚集小顆粒的混合死區(qū)，強(qiáng)化了二元顆粒間的對(duì)流和擴(kuò)散機(jī)制，同時(shí)抑制了顆粒的離析作用，提高了顆粒體系整體混合程度，同時(shí)，柱體內(nèi)構(gòu)件提高了二元顆粒體系的混合效率，改變了顆粒體系混合的穩(wěn)定性；在一定的范圍內(nèi)，柱體內(nèi)構(gòu)件的數(shù)量越多，顆粒體系的混合效果越好，但如果數(shù)量過(guò)多，反而不利于二元顆粒間的混合；在滾筒開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的短暫時(shí)間內(nèi)，柱體內(nèi)構(gòu)件反而抑制顆粒體系的混合，滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，才起到增混的效果。本研究可為二元顆粒物料增混設(shè)備的改進(jìn)提供參考和依據(jù)。

二元顆粒；離散單元法；柱體內(nèi)構(gòu)件；混合死區(qū)；增混

顆粒物質(zhì)是由大量離散粒子相互作用、相互影響而構(gòu)成的具有內(nèi)在聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)[1]，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如化工、冶金、制藥、食品加工、材料等領(lǐng)域都涉及到顆粒處理問(wèn)題[2-6]。回轉(zhuǎn)筒是輸運(yùn)和處理顆粒物料的重要設(shè)備[7]，在很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用，如干燥過(guò)程[8]、熱解干餾[9]、顆?；旌蟍10-12]等，顆粒物料在回轉(zhuǎn)筒中的運(yùn)動(dòng)混合狀態(tài)直接影響工業(yè)生產(chǎn)效率和工藝產(chǎn)品的質(zhì)量，因此研究回轉(zhuǎn)筒內(nèi)顆粒體系的運(yùn)動(dòng)混合情況對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有一定的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

兩種性質(zhì)不同的顆粒（如材料的密度或顆粒的直徑不同）在混合過(guò)程中容易出現(xiàn)嚴(yán)重的分層現(xiàn)象。針對(duì)二元顆粒在混合時(shí)的分離效應(yīng)，研究人員對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，目的是破壞顆粒混合的周期性和規(guī)律性，抑制二元顆粒的分離機(jī)制。目前，滾筒混合器設(shè)備的優(yōu)化大致分為兩種。一是改變滾筒的形狀，如閆明等[13]將滾筒混合器設(shè)計(jì)成圓形、橢圓形和方形，分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究滾筒形狀對(duì)二元顆粒系統(tǒng)分聚和混合的影響，發(fā)現(xiàn)圓形滾筒內(nèi)的顆粒分聚最明顯，其次是橢圓形滾筒，正方形滾筒最弱。GUI等[14]利用離散單元法研究波形滾筒內(nèi)顆粒的混合過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在相同轉(zhuǎn)速下，波形滾筒內(nèi)顆粒的混合效果優(yōu)于圓形筒。二是在滾筒中設(shè)置不同形式的內(nèi)構(gòu)件，在筒壁上設(shè)置不同類(lèi)型不同數(shù)目的固定抄板，如直抄板、直角抄板和彎抄板等[15-16]，研究發(fā)現(xiàn)抄板的設(shè)置可縮短混合時(shí)間，提高顆粒的混合程度。另外，在滾筒軸心位置安裝不同形式和尺寸的擋板，如“－”形、“+”形、“S”形與“*”形擋板[17-19]，發(fā)現(xiàn)擋板的設(shè)置能夠有效地抑制顆粒之間的偏析作用，同時(shí)擋板存在一個(gè)最優(yōu)的混合尺寸。

在這些研究中，改變筒形或設(shè)置內(nèi)構(gòu)件并沒(méi)有針對(duì)性，沒(méi)有對(duì)顆粒在混合過(guò)程中產(chǎn)生的混合死區(qū)現(xiàn)象進(jìn)行分析。本文針對(duì)非等粒徑二元顆粒在滾落模式下產(chǎn)生的混合死區(qū)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)矢量的分析確定混合死區(qū)形成的位置和大小，并基于此提出在混合死區(qū)處設(shè)置柱體內(nèi)構(gòu)件的增混方式，采用離散單元法（DEM），對(duì)二元顆粒在安裝不同數(shù)量柱體內(nèi)構(gòu)件滾筒內(nèi)的混合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究柱體內(nèi)構(gòu)件及其數(shù)量對(duì)二元顆粒體系運(yùn)動(dòng)混合的影響，分析柱體內(nèi)構(gòu)件的增混機(jī)理。

1 模擬方法

1.1 模擬條件

本模擬采用內(nèi)徑76mm的鋼材滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速為15r/min，物料采用直徑1mm和3mm的球形顆粒，密度為1800kg/m3，兩種不同顆粒的體積比為1∶1，對(duì)應(yīng)顆粒個(gè)數(shù)為4020∶150，模擬過(guò)程中設(shè)置的所有計(jì)算參數(shù)均來(lái)自經(jīng)驗(yàn)取值或?qū)嶒?yàn)測(cè)量，如表1所示。另外，顆粒開(kāi)始向滾筒內(nèi)填充時(shí)，按照1mm顆粒在下3mm顆粒在上的原則以“落雨法”方式填充。

表1 模擬參數(shù)

1.2 增混裝置模型的建立

當(dāng)滾筒內(nèi)無(wú)內(nèi)構(gòu)件時(shí)，顆粒體系在滾筒恒定轉(zhuǎn)速15r/min下處于滾落模式運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)模式下，根據(jù)滾筒內(nèi)顆粒之間的速度差異可以分為3個(gè)區(qū)域，即流動(dòng)層、穩(wěn)定層和渦心，如圖1所示。其中，大箭頭和小箭頭分別代表3mm大顆粒和1mm小顆粒的速度矢量，橢圓范圍代表渦心區(qū)域。從圖1中可以看出，渦心區(qū)域內(nèi)基本都是小顆粒，且被流動(dòng)層和穩(wěn)定層所包裹，這部分小顆粒間相對(duì)位移較小?？梢?jiàn)，渦心區(qū)域抑制了顆粒體系混合程度的提高，又被稱(chēng)為混合死區(qū)。因此，針對(duì)性地破壞混合死區(qū)是提高顆粒體系混合效果的有效手段。

本文通過(guò)顆粒體系混合穩(wěn)定時(shí)混合死區(qū)的形狀大小和所在位置，在滾筒內(nèi)設(shè)置固定柱體內(nèi)構(gòu)件，使其在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中推動(dòng)死區(qū)內(nèi)的顆粒參與到混合中去，從而達(dá)到破壞死區(qū)、提高混合的效果。

根據(jù)混合死區(qū)中心到滾筒中心的距離，確定柱體內(nèi)構(gòu)件的安裝半徑為1=25mm，根據(jù)混合死區(qū)徑向的厚度，設(shè)計(jì)柱體內(nèi)構(gòu)件的直徑為死區(qū)厚度的1/2，即2=6mm，柱體內(nèi)構(gòu)件的軸向長(zhǎng)度與滾筒寬度相同。為了更加深入地分析柱體內(nèi)構(gòu)件對(duì)顆粒體系運(yùn)動(dòng)混合的作用及內(nèi)構(gòu)件數(shù)量對(duì)混合效果的影響，除無(wú)內(nèi)構(gòu)件工況外，又設(shè)計(jì)了4個(gè)模擬工況，其中柱體內(nèi)構(gòu)件的安裝數(shù)量不等，分別為4個(gè)、8個(gè)、12個(gè)和16個(gè)，柱體在滾筒安裝半徑的圓周上均勻分布，且隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2為滾筒模型示意圖。

圖1 滾筒內(nèi)大小顆粒矢量圖

2 結(jié)果分析

2.1 無(wú)內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合分析

顆?；旌蠙C(jī)制主要分為對(duì)流、剪切和擴(kuò)散3種。對(duì)流混合是指顆粒在外部作用下發(fā)生宏觀尺度流動(dòng)從而形成的顆?；旌稀＜羟谢旌鲜怯捎谒俣炔煌诡w粒之間產(chǎn)生相對(duì)滑移造成的顆?；旌?。擴(kuò)散是指顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互穿插、滲透造成顆粒微觀尺度的混合。顆粒體系的混合是對(duì)流、剪切和擴(kuò)散3種機(jī)制共同作用的結(jié)果，只是在混合過(guò)程的不同階段，3種混合機(jī)制的影響程度不同。

二元顆粒體系在混合的同時(shí)還伴隨著離析效應(yīng)，即逆混合。所謂離析是指顆粒在流動(dòng)過(guò)程中由于顆粒粒徑的不同造成大顆粒上浮小顆粒下沉的分離運(yùn)動(dòng)[19]。

圖3表示無(wú)內(nèi)構(gòu)件滾筒內(nèi)顆粒體系的混合過(guò)程，從圖3可以看出，從滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)前二元顆粒的完全分離到200s模擬結(jié)束，二元顆粒體系雖然已經(jīng)達(dá)到混合穩(wěn)定狀態(tài)，但并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)理想的混合效果，呈現(xiàn)出小顆粒在內(nèi)部、大顆粒在外圍的狀態(tài)。離析作用是在顆粒體系運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后才開(kāi)始慢慢凸顯，而混合機(jī)制始終貫穿整個(gè)過(guò)程，如在=1.5s時(shí)能明顯觀察到對(duì)流混合機(jī)制的作用，在=2s和=4s時(shí)，大顆粒中散落一些小顆粒，這是由于混合機(jī)制中的擴(kuò)散作用形成，盡管剪切混合是由于速度差異而造成，不能明顯看出，但是剪切機(jī)制同樣存在，而在=100s和=200s時(shí)，混合已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在顆粒體系的流動(dòng)層中可以清晰看出顆粒滾落過(guò)程中的離析現(xiàn)象。由此得出，二元顆粒體系在無(wú)內(nèi)構(gòu)件滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，混合與離析同時(shí)存在，兩者相互競(jìng)爭(zhēng)并最終保持一種動(dòng)態(tài)平衡，使二元顆粒體系達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的混合狀態(tài)。

圖2 設(shè)置不同數(shù)量柱體內(nèi)構(gòu)件的滾筒示意圖

圖3 無(wú)內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合過(guò)程

2.2 設(shè)置柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合分析

圖4為設(shè)置12個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合過(guò)程，這種增混效果的實(shí)現(xiàn)與柱體內(nèi)構(gòu)件對(duì)二元顆粒的對(duì)流、擴(kuò)散混合機(jī)制的影響有密切關(guān)系。由于柱體內(nèi)構(gòu)件安裝位置的特殊性，柱體每次經(jīng)過(guò)混合死區(qū)都會(huì)對(duì)死區(qū)內(nèi)的顆粒進(jìn)行擾動(dòng)和分流，使混合死區(qū)內(nèi)的顆粒產(chǎn)生對(duì)流作用（=1.5s，=2s），而這種對(duì)流作用區(qū)別于無(wú)內(nèi)構(gòu)件時(shí)顆粒之間的自由流動(dòng)，是一種由柱體內(nèi)構(gòu)件產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流；滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，柱體內(nèi)構(gòu)件將堆積的大顆粒強(qiáng)制推動(dòng)并使其相對(duì)均勻分散，同時(shí)，部分小顆粒穿插滲透于大顆粒間的空隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的擴(kuò)散混合機(jī)制（=4s）。此外，由于離析作用主要發(fā)生在顆粒體系的流動(dòng)層，而柱體內(nèi)構(gòu)件隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)能持續(xù)不斷地破壞顆粒的自由表面流，使其由滾落形式變?yōu)闉a落形式，很大程度地抑制了顆粒體系的離析，混合程度得到有效改善（=100s，=200s）。

柱體內(nèi)構(gòu)件安裝數(shù)量的不同，對(duì)顆粒體系混合程度造成的影響也不同。圖5為不同數(shù)量柱體內(nèi)構(gòu)件對(duì)顆粒體系最終混合效果的影響示意圖。從圖中可以看出，安裝4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件的滾筒內(nèi)，由于兩個(gè)相鄰柱體之間的距離比較大，柱體對(duì)顆粒體系的擾動(dòng)作用時(shí)間間隔較長(zhǎng)，每次只有一個(gè)柱體進(jìn)入顆粒體系中，所以柱體對(duì)顆?；旌系挠绊懯情g斷性的，總體增混效果一般。但是，隨著安裝數(shù)量的不斷增加，每次進(jìn)入顆粒體系的柱體個(gè)數(shù)在增加，柱體對(duì)顆粒體系混合死區(qū)的擾動(dòng)、破壞和對(duì)發(fā)生離析作用的自由表面流的破壞更加頻繁，因此，混合程度隨柱體個(gè)數(shù)的增加而得到相應(yīng)提高。但如果柱體內(nèi)構(gòu)件的數(shù)量過(guò)多，如圖5(d)，相鄰兩個(gè)柱體的間隙過(guò)小，則會(huì)阻礙顆粒的通過(guò)，弱化二元顆粒間的對(duì)流、擴(kuò)散機(jī)制，對(duì)混合是不利的。

2.3 顆粒體系混合程度的定量分析

為了定量地描述滾筒內(nèi)二元顆粒體系的混合程度，文中采用混合指數(shù)作為混合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，表達(dá)式為式(1)。

式中，為混合指數(shù)；da–xiao為大顆粒和小顆粒的接觸數(shù)；total為滾筒內(nèi)顆粒總的接觸數(shù)。值越大，說(shuō)明顆粒的混合程度越高。

圖6表示柱體內(nèi)構(gòu)件安裝數(shù)量的不同對(duì)混合質(zhì)量的影響。從圖6可以看出，無(wú)論滾筒內(nèi)是否含有柱體內(nèi)構(gòu)件或柱體內(nèi)構(gòu)件的數(shù)量有多少，顆粒體系在混合初期的混合質(zhì)量都呈現(xiàn)近似線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，混合速度較快，直至達(dá)到穩(wěn)定的混合狀態(tài)。當(dāng)滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，顆粒體系整體的混合質(zhì)量不再增加，而是圍繞在某一混合值上下波動(dòng)，這是因?yàn)榛旌线M(jìn)行到一定程度時(shí)，總是伴隨著另一個(gè)相反的離析過(guò)程，在此階段內(nèi)，混合與離析交替呈現(xiàn)主要作用，使顆粒體系的混合達(dá)到了最終的動(dòng)態(tài)平衡 狀態(tài)。

圖4 設(shè)置12個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合過(guò)程

圖5 柱體內(nèi)構(gòu)件數(shù)量的不同對(duì)最終混合效果的影響

圖6 柱體內(nèi)構(gòu)件數(shù)量的不同對(duì)混合質(zhì)量q的影響

當(dāng)滾筒內(nèi)無(wú)內(nèi)構(gòu)件時(shí)，混合指數(shù)的穩(wěn)定值基本保持在0.205上下波動(dòng)，振幅為0.04左右，顆粒體系的混合程度很低。當(dāng)滾筒內(nèi)設(shè)置4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件時(shí)，顆粒體系的混合指數(shù)穩(wěn)定值增大至0.224，而且柱體內(nèi)構(gòu)件的數(shù)量繼續(xù)增加，混合指數(shù)穩(wěn)定值也相應(yīng)繼續(xù)增大，設(shè)置12個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件時(shí)，混合指數(shù)穩(wěn)定值達(dá)到最大值0.262。而設(shè)置16個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件時(shí)混合指數(shù)穩(wěn)定值則減少至0.229。這說(shuō)明，在一定柱體數(shù)量范圍內(nèi)，顆粒體系的混合程度隨柱體內(nèi)構(gòu)件數(shù)量的增加而不斷提高，但如果柱體內(nèi)構(gòu)件的設(shè)置數(shù)量過(guò)多，反而不利于顆粒間的混合?；旌现笖?shù)的振幅大小隨柱體內(nèi)構(gòu)件的增加卻呈現(xiàn)出不同的變化情況，從圖6中可以看出，設(shè)置4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合指數(shù)振幅最大，約為0.08，是無(wú)柱體內(nèi)構(gòu)件工況的2倍，而設(shè)置8柱體、12柱體和16柱體3個(gè)工況的混合指數(shù)振幅分別是0.03、0.05和0.06?？梢?jiàn)，相比于無(wú)內(nèi)構(gòu)件的滾筒，在滾筒內(nèi)設(shè)置的柱體內(nèi)構(gòu)件能有效地提高顆粒體系的混合程度，但是，同時(shí)也改變了顆粒體系的混合穩(wěn)定性。在本文4個(gè)含柱體內(nèi)構(gòu)件的工況中，設(shè)置12柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合效果最好，而設(shè)置8柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合穩(wěn)定性最高。

在無(wú)內(nèi)構(gòu)件滾筒內(nèi)，顆粒體系達(dá)到穩(wěn)定混合所需的時(shí)間約為16s，而設(shè)置柱體內(nèi)構(gòu)件的顆粒體系在8s內(nèi)基本都達(dá)到穩(wěn)定混合狀態(tài)，說(shuō)明柱體內(nèi)構(gòu)件提高了二元顆粒體系的混合效率，當(dāng)混合達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，更長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)基本對(duì)混合不起作用，而且穩(wěn)定前的混合是顆粒體系整個(gè)混合過(guò)程的關(guān)鍵，因此有必要對(duì)顆粒體系的這段混合時(shí)期進(jìn)行詳細(xì)分析。如圖6(a)，當(dāng)滾筒內(nèi)無(wú)內(nèi)構(gòu)件時(shí)，二元顆粒體系混合指數(shù)的變化類(lèi)似阻尼振動(dòng)曲線(xiàn)變化，振幅逐漸均勻減小，直至達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。這種阻尼振動(dòng)曲線(xiàn)變化與二元顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，如圖6(a)，在混合過(guò)程的前6s中選取混合較好的3個(gè)點(diǎn)（即波峰Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ）與混合較差的3個(gè)點(diǎn)（即波谷Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ），并截取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的二元顆粒分布圖，如圖7。從圖7中可以看出，在=1.81s、=3.48s和=5s，即混合指數(shù)為波峰值時(shí)，滾筒內(nèi)顆粒分布呈現(xiàn)出大顆粒堆積在顆粒體系的底部，小顆粒堆積在上部的現(xiàn)象。底部的大顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生很多間隙，小顆粒通過(guò)滲透不斷填充在大顆粒間隙中形成擴(kuò)散混合，提高了大小顆粒之間的接觸數(shù)，從而促進(jìn)顆粒體系的混合；在=2.4s、=4.3s和=5.75s，即混合指數(shù)為波谷值時(shí)，滾筒內(nèi)的顆粒分布與波峰值時(shí)恰巧相反，呈現(xiàn)出大顆粒在上部、小顆粒在底部的現(xiàn)象。由于顆粒體系底部大顆粒較少，顆粒的擴(kuò)散混合機(jī)制得到抑制，而上部流動(dòng)層內(nèi)小顆粒不斷從大顆粒的間隙中下落，離析作用明顯，形成篩分分離，減小了大小顆粒之間的接觸數(shù)，從而阻礙顆粒體系的混合。隨著混合的不斷深入，二元顆粒體系形成大顆粒在外圍，小顆粒在內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定層內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)制與流動(dòng)層內(nèi)的離析機(jī)制達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，所以，混合指數(shù)的振幅越來(lái)越小，最后穩(wěn)定在0.04左右。

圖7 無(wú)柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系混合初期階段二元顆粒分布狀態(tài)

另外，從圖6(b)中可以看出，當(dāng)滾筒內(nèi)安裝4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件時(shí)，滾筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，二元顆粒體系的混合指數(shù)振動(dòng)曲線(xiàn)都會(huì)規(guī)律性地出現(xiàn)4個(gè)波峰和4個(gè)波谷，為探究其原因，選取24～28s滾筒完整轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)顆粒體系的混合曲線(xiàn)變化過(guò)程，如圖6(c)所示。從圖中可以看出，當(dāng)混合指數(shù)達(dá)到4個(gè)波峰位置時(shí)，只有一個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件在顆粒體系內(nèi)部；當(dāng)混合指數(shù)在4個(gè)波谷位置時(shí)，滾筒內(nèi)恰好是一個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件開(kāi)始進(jìn)入顆粒體系，一個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件開(kāi)始離開(kāi)顆粒體系，所以，柱體內(nèi)構(gòu)件由開(kāi)始進(jìn)入顆粒體系，到抵達(dá)混合死區(qū)，再到離開(kāi)顆粒體系，混合指數(shù)隨之先由波谷位置逐漸升高，上升到峰值位置后，再下降到另一個(gè)波谷的位置，而對(duì)于安裝4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件的滾筒，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，依次穿過(guò)顆粒體系的柱體有4個(gè)，所以就形成了滾筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期混合指數(shù)便形成4個(gè)波峰和4個(gè)波谷的規(guī)律性。

由上述得出，安裝4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件的滾筒，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中最多只有1個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件在顆粒體系內(nèi)部進(jìn)行擾動(dòng)，可將某時(shí)刻存在于顆粒體系內(nèi)部的這種柱體稱(chēng)為有效增混柱，顆粒體系內(nèi)有效增混柱從無(wú)到有，使顆粒體系的穩(wěn)定性發(fā)生很大變化，相應(yīng)地，混合指數(shù)的振幅變大，如圖6(b)。安裝8個(gè)和12個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件的滾筒內(nèi)，有效增混柱分別為2個(gè)或3個(gè)、3個(gè)或4個(gè)，也就是說(shuō)，在這兩個(gè)工況內(nèi)，顆粒體系內(nèi)部一直存在有效增混柱，只是在某一時(shí)刻有效增混柱的個(gè)數(shù)會(huì)增加一個(gè)或者減少一個(gè)，相比于顆粒體系內(nèi)部有、無(wú)有效增混柱的區(qū)別，增加或減少一個(gè)所帶來(lái)的差異對(duì)混合過(guò)程穩(wěn)定性的影響要小的多，因此，安裝8個(gè)或12個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的混合指數(shù)沒(méi)有像安裝4個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的變化規(guī)律，混合指數(shù)振動(dòng)曲線(xiàn)的波峰波谷變化復(fù)雜無(wú)序，而且振幅較小，如圖6(d)、圖6(e)；而安裝16個(gè)柱體內(nèi)構(gòu)件的滾筒內(nèi)，柱體內(nèi)構(gòu)件的影響基本發(fā)生在顆粒體系的表面，而不是內(nèi)部，因此稱(chēng)不上有效增混柱，而且柱體間距對(duì)二元顆粒對(duì)流、擴(kuò)散的弱化造成混合指數(shù)振幅的更加劇烈無(wú)序。

為了量化柱體的增混效果，引入增混系數(shù)作為評(píng)價(jià)方法，表達(dá)式為式(2)。

圖8表示滾筒內(nèi)設(shè)置不同數(shù)量柱體內(nèi)構(gòu)件的增混系數(shù)，在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)初期，由柱體內(nèi)構(gòu)件引起的強(qiáng)制對(duì)流要弱于無(wú)內(nèi)構(gòu)件顆粒之間的自由對(duì)流，然后，隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，柱體內(nèi)構(gòu)件對(duì)顆粒體系不斷擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了破壞混合死區(qū)的目的，從而提高了顆粒體系的混合程度。顆粒體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，增混系數(shù)的穩(wěn)定值見(jiàn)表2。

表2 混合穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)值

3 結(jié)論

（1）二元顆粒體系在滾筒內(nèi)處于滾落模式運(yùn)動(dòng)混合時(shí)，容易形成小顆粒在內(nèi)部，大顆粒在外圍的分層現(xiàn)象。混合死區(qū)是抑制顆粒體系混合程度提高的重要原因。

（2）適當(dāng)添加柱體內(nèi)構(gòu)件能夠很大程度破壞混合死區(qū)，強(qiáng)化二元顆粒間的對(duì)流和擴(kuò)散機(jī)制，抑制離析作用，縮短混合達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，提高混合效率，增強(qiáng)顆粒體系的混合。但是如果添加過(guò)多的柱體內(nèi)構(gòu)件，反而抑制顆粒體系的混合。

（3）當(dāng)顆粒體系中僅有一個(gè)有效增混柱時(shí)，隨著內(nèi)構(gòu)件進(jìn)入顆粒體系，到抵達(dá)窩心區(qū)域，再到離開(kāi)顆粒系統(tǒng)，二元顆?；旌隙鹊淖兓厔?shì)呈現(xiàn)出由波谷到波峰再到波谷的狀態(tài)。

圖8 不同數(shù)量柱體內(nèi)構(gòu)件顆粒體系的增混系數(shù)

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Effects of column internals on mixing of the binary particle system in a rotating horizontal drum

ZHANG Lidong，CHENG Shuo，LI Lianhao，LI Shaohua，WANG Qing

（Engineering Research Centre of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin，China）

Accounting for the phenomenon of mixed dead zone in mixing process of binary granular systems，column internals wee set in the horizontal drum to augment mixing. The contact number was taken as a particle mixing indicator. The discrete element method was employed to study mixing of the binary particles with the column internals. The mechanisms of augmenting mixing of the column internals were discussed in this paper. The results showed that the column internals can destroy the mixed dead zone of the aggregated particles. When the components are set in the drum，the mechanisms of convection and diffusion are enhanced，and the segregation of the binary particles is suppressed. Moreover，the column internals can improve the mixing efficiency and change the stability of mixing. It was noted that the mixing effect of binary particles improves with the increase of the number of cylinder components in the drum in a certain range，and excessive number of internals are unfavorable for mixing. The column internals inhibit mixing of particle system when the drum starts to rotate，and the internals achieve the purpose of augment mixing after a period of movement. The results can provide theoretical guidance for equipment improvement of particle material in the industry of the augmenting mixing.

binary granular systems；discrete element method；column internal；mixed dead zone；augmenting mixing

TQ051

A

1000–6613（2017）12–4363–08

10.16085/j.issn.1000-6613. 2017-0620

2017-04-10；

2017-05-26。

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT13052）、吉林省自然科學(xué)基金（20150101033JC）、吉林市科技計(jì)劃（201464044）及吉教科合字2015-237項(xiàng)目。

張立棟（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛晚?yè)巖綜合利用及回轉(zhuǎn)裝置混合和分離。E-mail：nedu1015@aliyun.com。