螺带混合机中颗粒流动与混合特性的数值模拟研究

论文摘要

在化工、制药、食品、冶金以及硅酸盐等工业中,得到均质的产品是衡量产品质量的关键指标,因而使得为确保产品均质而设置的混合单元操作显得至关重要。以往,研究人员往往通过实验或理论建模的方式来对混合设备中颗粒的流动与混合进行研究。近年来,随着计算机计算能力的不断提升,运用离散单元法(Discrete Element Method,DEM)对颗粒体系进行数值模拟研究得到了很多尝试和广泛认可。本文以工业上应用广泛的螺带混合机为研究对象,基于DEM对其中颗粒流动与混合特性进行了数值模拟研究。研究内容主要包括以下三个方面:(1)建立了适用于模拟含内聚力颗粒系统流动与混合的离散单元模型。混合设备中的颗粒在一定温度和湿度条件下颗粒之间会存在液滴而产生内聚力,需要建立相应内聚力(液桥力)模型进行描述。以往的模型都假设液桥两端与颗粒之间的接触角相等,但实际工业中所混合的颗粒材料的材质不一定都是相同的,液桥的接触角也不一定相同,据此我们建立了液桥两端接触角不同的液桥力模型,并从微观尺度与宏观尺度验证了新建立的模型具有较高的精度。同时,我们将所建立的液桥力模型加入到原有干颗粒离散单元模型中,使现有离散单元模型既能够模拟干颗粒体系,也能模拟湿颗粒体系的流动与混合。(2)开发了用于评估不同颗粒组分混合程度的图像分析技术,并采用该技术验证了所建立的DEM模型的精度。为了确保数值模拟的可靠性,所建立的离散单元模型须经过实验或理论验证。为此,我们开发了根据寻求不同颗粒组分在图像上所呈现的不同特征的图像分析技术,直接对不同颗粒进行身份识别以计算不同颗粒组分的混合程度。采用所开发的图像分析技术及滚筒内颗粒分离及混合实验,验证了所用干颗粒离散单元模型以及所建立的湿颗粒离散单元模型的精度和可靠性。(3)采用DEM模拟研究了操作参数和颗粒性质对螺带混合机中的颗粒流动、混合以及颗粒破碎及设备磨损的影响。在螺带混合机中,设备的操作参数,如转速、颗粒装填方式等,颗粒自身特性,如球形度、大小、密度等,以及颗粒间是否含液都会对混合设备中的颗粒流动与混合造成影响。通过DEM数值模拟结果发现,螺带转速越高颗粒混合速度越快,上下装填和前后填装的混合速度基本相同且明显大于左右填装,细长颗粒的运动更平缓,方形颗粒的运动更剧烈,球形颗粒运动的剧烈程度居于之间,颗粒间如存在液体且液桥力起主导作用时颗粒运动更趋向形成整体一起随螺带运动而削弱颗粒混合速度。最终本文基于数值模拟结果给出了螺带混合机的优化操作参数。本文的研究工作可为应用广泛的螺带混合机在实际应用中的操作及设备设计提供参考。

论文目录

致谢

摘要

ABSTRACT

符号说明

1 绪论

1.1 引言

1.1.1 过程工业中的颗粒材料

1.1.2 颗粒材料的混合原理与设备

1.2 研究现状

1.2.1 离散单元法的发展现状

1.2.2 颗粒流动与混合的研究现状

1.2.3 螺带混合机的研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 数学模型

2.1 干颗粒离散单元模型

2.1.1 颗粒形状模型

2.1.2 颗粒接触模型

2.1.3 颗粒接触力模型

2.1.4 颗粒运动方程及算法概述

2.2 液桥力模型

2.2.1 两半填充角之间的关系

2.2.2 第一、第二主曲率半径

2.2.3 液桥体积

2.2.4 液桥力

2.4 磨损模型

2.5 本章小结

3 模型验证

3.1 用于评价不同颗粒组分混合程度的图像分析方法

3.1.1 混合指数

3.1.2 图像分析方法原理及步骤

3.1.3 误差分析

3.2 干颗粒离散单元模型的实验验证

3.2.1 概述

3.2.2 实验及模拟参数

3.2.3 模拟结果与实验结果对比

3.3 湿颗粒离散单元模型的验证

3.3.1 不同接触角液桥力模型的微观验证

3.3.2 不同接触角液桥力模型的宏观滚筒实验验证

3.4 本章小结

4 螺带混合机中颗粒的流动与混合特性研究

4.1 模拟过程

4.1.1 几何模型的建立

4.1.2 数值模拟参数

4.2 数值模拟结果与讨论

4.2.1 流态

4.2.2 混合

4.2.3 能谱与颗粒破碎和设备磨损

4.2.4 设备优化转速

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 工作展望

参考文献

附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 侯志超

导师: 赵永志

关键词: 螺带混合机,球形度,液桥力毛细力,离散单元法,流动与混合,磨损

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,工业通用技术及设备,机械工业

单位: 浙江大学

分类号: TH69;TB115

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.001929

总页数: 107

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螺带混合机中颗粒流动与混合特性的数值模拟研究

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