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斗式提升机的耦合气体颗粒排放

马特·D·辛诺特,詹姆斯·E·希尔顿,威廉·迈克布莱德,保罗·W·克利里

文章历史:

2016年8月29日收到

从2016年12月2日修订

2016年12月4日接受

2016年12月6日可以网上获取

关键词

斗式提升机、离散单元法、扩展单元法、耦合气体/微粒

摘要

散装物料的垂直输送通常使用斗式提升机进行。这种装置使用传送带将一系列料斗拖入回路中，向上，向后，然后在箱体内下降。它们通常用于向上运输细粒状物料。这些料斗行进的速度可以取代大量的空气。这种空气与料斗内容物之间的相互作用可以改变粒状载荷的排放动态。使用有限差分来提供耦合的气体-颗粒数值模型，利用浸没边界方法（IBM）来解决气体流动，以表示模型中的复杂的料斗和外壳几何形状。离散单元法（DEM）用于颗粒流。该组合方法用于调查气流对颗粒行为的影响，特别是物料从料斗中排出时。所使用的斗式提升机设计基于具有已知操作问题的现有设备。气流的存在可以改变颗粒从料斗的优先喷射，影响喷出的颗粒流的轨迹的形状，并且将离开料斗的颗粒的效率降低10-14％。这些影响也表现出强烈的尺寸依赖性，更细的颗粒更容易受到气流阻力的影响。机器内的滞留物料被发现大约包含50%从料斗顶端附近离心洒出的物料和70%在最后清空阶段和落到引导层期间从料斗旁边传送带上的分配器散落出的物料。

1.简介

用于大型筒仓或多层工业作业的散装物料处理通常需要在大的垂直距离上连续输送粒状材料。用于这种应用的最常用的机械输送装置是斗式提升机。这些设备结构简单，占地面积小，扩展性强，因此成为散装物料集中搬运的流行器械。它们既可以是颗粒在重力作用下脱落的重力排放类型，也可以是离心排放类型，当料斗运动从头部滑轮的线性转变为圆形时，颗粒在离心力作用下从料斗外围喷出。在离心排放系统的情况下，它通常包括一系列间隔很宽的料斗，这些料斗被螺栓连接到传送带上，该传送带遵循封闭的垂直（或倾斜）路径，整个系统通常位于很长的外壳内[1]。料斗跟随输送机的运动，不断穿过外壳的底部（“靴子”），并收集向上支腿提供的物料或从头部滑轮的防护罩内的堆积物中铲起的物料。用于这种系统的预期排空方式是在通过头部滑轮的过程中完全离心排出料斗内容物。然而，特定装置的操作条件或设计可能导致排空效率差，这会导致其在滚筒端部处减速时在滚筒内保留大量物料。排空料斗内容物的最后阶段由重力支配，使得总的排空过程是离心排放和重力排放的组合。

然而，许多维护问题与这些设备有关。这通常是由于皮带跑偏或张力不足造成的，导致料斗提前磨损;[2]或由于供给/排出效率差导致溢出，减少主壳体内的流通量和材料滞留。斗式提升机中的主要磨损机制是由于散装物料在料斗，外壳，皮带和滑槽表面上滑动造成的磨损。为了解决这个问题，料斗通常由工业塑料或耐磨压制刚制成，滑槽通常衬以耐磨材料。强烈气流中的空气颗粒也会为外壳和溜槽壁产生磨蚀性环境。然而，较粗糙的颗粒往往是机器磨损的最大原因，这是因为它们不仅动量较大，还能够独立于气体移动并与机器表面碰撞。对于用于输送多种材料的输送机，封闭空间内的然而，较粗糙的颗粒往往是机器磨损的最大原因，这是因为它们不仅动量较大，还能够独立于气体移动并与机器表面碰撞。对于用于输送多种材料的输送机，封闭空间内的再循环负载可能导致产品之间的交叉污染[3]，甚至会促使积聚在机罩内的有害物质侵入[4]。再循环负载可以在设备表面上留下细小的物料，然后将其转移到下一批要传送的材料中。对于非常轻的材料，如面粉，水泥或粉煤灰，通常会由于料斗内的急剧气流和与这些材料相互作用的外壳产生较差的进料和排出效率。料斗通常占据输送机和封闭外壳之间的大部分空间，而料斗周围只有适度的间隙，以便料斗夹带并排出大量空气。这种空气运动经常进入料斗中，吹掉大量的细小物料，这些物质可以沉入下面的其他料斗中或堆积在机罩内。在输送可燃物质（如糖）时排放不足会导致爆炸或火灾[5]，这是由于主要外壳内的活性粉尘不断悬浮以及由于皮带打滑或轴承温度过高而导致的摩擦热.料斗内部和外部的气压差异也会导致不完全的填充或排放。这些压力有时通过料斗底板上的通风孔来缓和。溜槽内的气流也对排出的颗粒流施加拖曳力。这可以改变颗粒轨迹并因此影响哪些颗粒被引导到排放槽中，哪些颗粒回落到机罩中。由于空气阻力的影响强烈依赖于颗粒大小，因此产生显著和不理想的分离效应和产品组成变化的情况。

使用基于粒子的方法（如离散单元法（DEM））预测大规模粒状组件行为的计算模型可以评估设备设计选择的适用性，并评估在构建完整工厂之前的操作情景。它们越来越多地被用于解决工艺问题，指导设备的重新设计，并提高涉及散装材料加工，运输和处理的许多行业的运营效率。也许令人惊讶的是，直到现在，在文献中还很少有斗式提升机的颗粒流模型。McBride等人[6]开发了斗式提升机上部离心卸料动力学的3DDEM模型。这种模型包括由于料斗在头部滑轮周围的加速度引起的动态皮带变形的影响以及这种影响对物料排放的影响，但忽略了气流成分。Boac等人[7]研究了使用3D和准二维DEM模型的斗式提升机的下部，同样忽略了气体流动，以了解大豆在进料和被料斗铲起的混合情况。Peacute;rez-Aparicio等人[8]利用不连续变形分析为各种料斗形状和散装材料开发了料斗卸料的二维模型。这些研究都没有包括气流对微粒行为的影响，而气流是一个重要的限制条件。DEM可以作为模拟OLDS电梯[9]，螺旋输送机[10-12]和气力输送[13,14]等散装运输的替代方法。

了解气体颗粒系统的动态行为是广泛制造工业的根本利益。粒子-粒子碰撞的复杂性及其与非稳态气体流的相互作用不允许通过分析方法求解，并且不能用仅模拟气体流动的数值模型充分表示。在[15,16]中可以发现工业应用的气体颗粒流CFD模拟的综合评述。使用欧拉-欧拉方法的计算流体动力学（CFD）模型将气体和颗粒固体表示为相互作用的连续相。这些模型在计算上比解析固体颗粒性质和它们碰撞相互作用的详细性质要求更低。然而，这些模型无法预测气体相互作用的粒子微观结构和孔隙度的动态变化。他们也忽略了在颗粒尺度上气体阻力的细节，例如依赖于颗粒的形状和方向。交替耦合欧拉-拉格朗日方法已被规定为使用DEM更精确地将颗粒相模拟为离散颗粒。Tsuji等人首次提出了这种方法，它作为一个二维模型，使用圆形颗粒和耦合气流来模拟气力输送。这种模型最常用于研究流化床。[24]中给出了这些模型的详细评论。耦合的DEM-CFD方法已被用于球形颗粒的3D模拟以研究喷射流化床中的流态。郭等人使用2D模拟来观察使用浸没边界法（IBM）的流化床内移动物体的影响。所有这些研究都假定颗粒是球形的，而真实材料可以具有高度非球形的颗粒形状。希尔顿等人介绍了用有限差分（FD）气体流模拟块状和高维DEM粒子。这对气动输送[13]和气体注入颗粒床的气体输送行为有显著影响[28]。周等人[29]已经考虑了椭球粒子的作用，并通过流化床确定了形状依赖效应对气体输运的影响。

本研究的目的是研究空气流动对实际成形颗粒行为的影响，以及这会如何影响离心式斗式提升机运行过程中机器的整体排放效率。以前使用DEM[6]研究过特殊的斗式提升机设计，但忽略了气流。这种配置基于现有的设备，该设备已经识别出操作/设计缺陷，例如在挖斗尖端和外壳壁之间具有小的气隙，这会导致运输不良和设备表面上的更大磨损。这里的目的是分析一个现实的斗式提升机组件的运行情况，以证明在模型中包括空气流动的一般重要性，并且显示如何识别与空气流动相关的问题，而不是优化这种机器配置的设计和操作。使用耦合的DEM-CFD模型来从料斗中排出球形珠粒的粒状负载，以理解粒子大小如何影响斗式提升机和外壳内的材料滞留。固体优先排放或保留的程度取决于其在料斗中的初始位置。

2.双向耦合DEM-FD的数值方法

DEM用于模拟料斗中的颗粒物料，同时使用有限差分（FD）方法求解耦合气体流量。

2.1离散单元法（DEM）

使用预测单个颗粒的运动和相互作用的DEM可以获得大块材料颗粒流的数值模型。在每个计算时间步长内，对所有解析粒子进行跟踪，并计算粒子之间以及粒子和边界之间的力。接触力模型确定每次碰撞的结果。在这项工作中，使用线性弹簧-缓冲器接触模型。弹簧力代表粒子的弹性负载，缓冲器提供非弹性碰撞中损失的能量。在这个模型中使用的粒子是球形的。DEM解算器提供料斗，带和滑槽几何的网格表示，用于接触检测和相互作用的预测。通过计算粒子之间以及粒子与每个网格元素之间的粒子重叠来模拟粒子-粒子和粒子-边界碰撞。所使用的具体DEM软件是[30,31]中描述的软件，并已被应用于广泛的矿物加工[32,33]和散装物料处理[10,13]应用。

2.2有限差分（FD）气体模型

如[22]中给出的，通过多孔床的气体流量的控制方程被用于模拟气体系统。气体速度由两个变量定义：颗粒间气体的间隙速度u和气体的平均体积速度，称为表观速度u#39;。气体密度假定为常数，所以气体是不可压缩的，速度可以通过表达式u#39;=εu连接，ε是孔隙度。气体流动表观速度的本构关系是：

其中p是气体压力。应力张量tau;采用常见的牛顿形式，流体颗粒相互作用力f_fp=f_D f_b是流体中颗粒阻力的体积平均力f_D加上任何气体体力f_b。将这些方程在模拟域上以笛卡尔网格进行离散化。在每一个时间步长内，通过计算每个给定单元中球形粒子的部分，从DEM模拟中精确计算出孔隙率[34]。检查粒子表面是否与粒子上的网格相交。网格单元的任何表面部分都会细微地划分到指定的最小级别。在最小单元尺寸处，使用体积分数的线性近似值。

数值计算的程序首先通过计算DEM粒子的体积分布来确定新时间步长的孔隙度。然后使用方程式计算表面速度场（1），它给出了孔隙度变化率，用来作为下一个时间步长的表观速度场的散度式。（1）使用压力校正方法[27]的变化来求解。

在[27]之后，阻力是系统中主要的流体-粒子相互作用力。由于附近的粒子[35]，在多粒子系统中施加在粒子上的阻力需要校正：

其中cd是阻力系数，ur是表观气体流速减去粒子速度，rho;是流体密度，ε是孔隙度或局部空隙率。雷诺数由Re=2rrho;|ur|/eta;给出，其中r是粒子半径，eta;是流体动力学粘度。由[36]给出的单个粒子的阻力系数，基于与实验数据的相关性，适用于此应用并在此处使用：

粒子也受到斯托克斯旋转阻力的影响，由TD=8pi;eta;r3omega;r给出，其中omega;r是角速度矢量，如[27]中给出的那样，并且将其添加到DEM粒子扭矩方程中。

大规模气体流动通常是湍流，其通常需要包含湍流模型以适当捕获气相中以及气相和颗粒相之间的动量传递。然而，在斗式提升机应用中，气体主要分布在料斗之间的空间中，这限制了发展大规模湍流结构的机会。在此基础上，湍流在这项工作中被忽略了。

2.3沉浸边界法（IBM）

Peskin[37]介绍了IBM这种方法，通过这种方法可以将复杂的移动边界包含在基于网格的CFD框架中[38]。处理复杂边界的替代策略需要大量的手动处理，以确保网格适用于求解器或在每个时间步长内计算网格的昂贵再生。IBM通过使用等式（4）中给出的强制向量fb强加移动边界来充分解决这些困难。因此，边界的实现从一个密集的几何任务转移到寻找在三维域内提供所需边界条件的体力分布的更容易处理的任务。这里，IBM用于表示驱动气流和斗式提升机外壳的移动刚性料斗。

边界体力可以用狄拉克delta;分布来表示，delta;：

其中Г是三维域Omega;内的二维边界，f_Г是在边界上施加的力，fb是三维体力。为了使问题在计算上易于处理，delta;分布由平滑的delta;函数代替。我们使用三次样条函数[39]：

其中h是一个选定的核心半径，给出了施加体力的特征长度尺度。

这个平滑的delta;函数在2小时内平稳地下降到零，并且在极限h→0中恢复真实的delta;分布行为。该函数也具有紧凑的支撑，所以只有边界2h内的网格单元才能受到边界力的影响。边界被分解成点云，其中边界节点尽可能均匀地间隔开。由于点云中的每个节点占据一个体积Delta;Omega;_i，边界贡献变为：

其中每个计算网格单元的总和在2小时内通过N个边界节点，带索引i的边界节点贡献力f_bi。这种方法仅限于运动学驱动的刚性边界，因此不受流场的影响。图1中显示了单元尺寸Delta;的笛卡尔网格上点云离散化的示意图。

方便的是，在这种DEM-FD耦合中使用的方法允许将来自边界的流体上的力f_b直接并入到速度更新计算中，而不需要单独的步骤来计算f_b。力可以从边界速度v_b导出：

其中v_bi是位置xi处索引为i的边界节点的速度。这意味着可以在不直接计算浸入边界力的情况下计算边界速度。

节点体积Delta;Omega;i可以表示为：

其中rho;_i是边界节点密度，m_i是节点质量。节点i处的边界密度可以从节点i周围2h内的j个边界节点计算：

浸入边界法是使用与DEM解决方案中使用的固体边界相同的三维壳网格来实现的。边界网格顶点用于生成浸入式边界点云，并且根据对象表面网格几何体计算每个点的delta;函数宽度h。delta函数宽度设置为连接到对象顶点的最短边的两倍。图2显示了一个网格板和相应的点云的例子，其中每个点周围距离h的区域被遮蔽。

理想情况下，物体应具有各向同性的顶点分布，使得h接近FD网格大小，并

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