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粉末技术
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有关颗粒输送的DEM研究在部分填满的（partially filled）水平螺旋输送机中
文章信息
文章历史:
2016年5月13日
2016年9月11日以修改后的形式收到
2016年9月26日
2016年9月29日在线
关键词:
螺旋输送机 离散单元法 体积流率
摘要：
建立一个卧式螺旋输送机的离散单元法模型，并对其研究颗粒状物料的体积流量。通过两个运行参数:输送机的填充量和螺杆的旋转速度，监测体积吞吐量。对于速度足够慢以避免颗粒离心的稳定流，其体积流量与螺杆的转速成线性比例。然而，相对填充水平的依赖性是非线性的。由旋转叶片横向提升的颗粒通常被限制在轴与机匣之间的一侧。但是，如果颗粒水平足够高，颗粒就会跳过中间轴，进入前一根螺纹(原螺纹的后面)，从而降低吞吐量。这两种主要影响对轴左右两侧的颗粒级以及相对于螺杆表面和几何形状的速度有很大的影响。本研究旨在探讨颗粒体积流量与相对轴径的关系，以及颗粒与壁面摩擦系数对装置效率的影响。计算结果可用于确定最优的运行参数，以最大限度地提高输送机的输送量效率的轴的相对大小。
1.导言
螺旋输送机是一种简单的物料输送机械装置。机械部件包括外部壳体(通常为圆柱体)和内部旋转螺旋面(螺杆)。根据需要运输的材料不同，刀片可以绕圆柱轴(通常是这种情况)旋转，也可以有多个螺纹[1]。旋转叶片的旋转速度可以改变，以达到所需的材料吞吐量。必要时，输送机可保持水平或倾斜任意角度，对后混料[2]有影响。螺旋输送机在工业上广泛应用于输送固体或半固体颗粒材料，其应用范围从进料装置(通常是从填充料斗[3,4])到提升装置，如谷物提升机[5-7]和水泵。此外，材料在运输过程中可能会脱水或干燥。尽管机械上很简单，但螺旋输送机内部粒子传输的物理学意义并不小。因此，在许多工业过程中，进料(通常是用螺旋进料机完成的)常常被认为是一个瓶颈，因为流量(kg/h)与材料性能(和加工历史)以及操作和设计参数的关系并不明确。此外，很难实现恒定(非脉动)传输，特别是在低吞吐量情况下。
为了更好地理解这一过程，进行了许多研究。第一个开创性的研究是关于螺旋输送机的[5]，它处理了斜螺旋垂直从料斗中拖出的颗粒的体积流量，以及斜螺旋垂直从料斗中拖出的颗粒的倾角和速度如何影响设备的容积效率。如文献[8]所述，螺旋叶片边缘与圆筒形输送机之间的径向间隙不仅会影响运量，还会导致运输过程中的颗粒损伤。然后在文献[6]中对输送颗粒材料的运动进行了分析，其中螺杆旋转所继承的颗粒流动与螺杆的形状有关。由于螺旋给料机通常从填充螺旋中拖动物料，现有文献中有一部分研究了这些设备对螺旋输送机拖动的影响，旨在将螺旋设计与阻力均匀性联系起来[3,4,9]。进料过程中的功耗也是设计过程中的重要制约因素，因此有必要研究不同工艺条件和螺杆转速对扭矩的要求以及相关功耗[5,7,10]。随着计算机的发展和计算能力的提高，对输送过程开始进行数值模拟和研究，主要是通过离散单元法(DEM)建模[11]。参考文献[2]就是一个例子，它系统地研究了不同螺杆倾角、速度和填充水平下螺旋输送机的性能。最近的数值研究也集中在螺杆的设计上，通过研究在螺杆中添加辅助螺旋对粒子扩散的影响，从而达到改善粒子混合[12]的目的。最后，颗粒特性在给料过程中起中心作用。特别是粘性材料，由于流动性较低和容易产生拱和堵塞，在螺杆给料机的移动过程中会产生实际的综合问题。关于这个主题的数值研究可以在参考文献中找到。(13、14)。
本文旨在数值研究部分填充式水平螺旋输送机的容积吞吐率(流量)和容积吞吐效率，重点研究颗粒流动特性的广泛变化及其对输送过程的影响。特别地，我们试图了解旋转螺杆中的颗粒流动力学。利用DEM对水平螺旋给料器的系统仿真数据，研究了螺旋输送机内球形颗粒的体积吞吐能力。通过改变两种主要的操作条件(螺杆转速和颗粒填充水平)，我们研究了颗粒流量是如何受到螺杆轴相对于螺壳的尺寸以及颗粒与给料机机械部件之间的相对摩擦的影响。
简而言之，在螺杆的正向输送过程中，流动的颗粒不断发生雪崩。这些雪崩的方向和轮廓是由输送机的几何形状和颗粒的摩擦，以及与颗粒填充水平的相互作用决定的。在防止颗粒离心的螺杆速度下，随着填充水平的增加，螺杆叶片根据叶片表面几何形状[6]将颗粒提升并推到一侧。在一定的填充比下，提升和推到一边的颗粒可以保持在输送机中轴和外圆管壁之间。这种现象，下文称为“侧限”，是造成材料高效输送的原因。然而，在更高的填充率中，这些粒子在向前的时候会从中间的竖井穿过，进入下一个螺旋线。这些被称为颗粒“回流”的动力学在达到一定的填充阈值后变得系统化，降低了设备的质量吞吐量。
更好地理解这些工艺可以有助于优化螺旋输送机的填充水平，并可提高运输效率。因此可以实际应用在工业领域应用的工艺条件。
2. 模型的细节
数据是通过一个无限长封闭螺旋输送机的DEM仿真得到的。螺旋叶片为螺旋面，半径RB = 1.75 cm，厚度d = 0.5 cm，螺距长度l = 3 cm。总螺杆长度为L = 15cm，总螺杆匝数n = 5。在轴向施加周期性边界条件，有效地产生了无限长的输送机。螺杆轴和机匣为以z轴为中心的同心圆筒，半径RS = 0.95 cm, RC = 1.95 cm。因此，螺杆与壳体之间有明显的间隙，以避免过高的剪切速率。螺杆原理图如图1所示。在我们的模拟中，螺旋输送机部件采用立体立体三角剖分法(STL)建模，几何形状取自Komarek B050H水平实验室压机输送机[15]。均匀分布的粒子模拟为球体半径rPplusmn;10% = 0.1厘米,遵循赫兹弹簧-阻尼模型的交互与杨氏模量Y = 5 MPa和泊松比 = 0.45(大致相当于橡胶球)。每0.05秒拍摄一次粒子位置和速度的快照。颗粒-颗粒和颗粒-输送机摩擦系数分别设为= 0.5和= 0.25。设计用于本研究使用开源DEM进行了粒子模拟代码LIGGGHTSreg;[16]。
在每一次模拟中，颗粒被加载到输送机中直到完全填充，并被允许使用重力的作用(指向负y轴)进行沉降。接下来，根据需要的填充级别4(见图2)，将颗粒移除，并启动螺杆。螺杆转速y在27 ~ 48 rpm之间，低到足以防止离心。根据螺套半径，将充填液面定义为无量纲参数为
其中y为输送机内颗粒顶层的高度。因此,minus;1 lt; 4 lt; 1的定义。所分析的填充比在满载能力的5%到100%之间，在后续模拟运行之间以5%的恒定增量递增。当系统达到稳定状态10秒后开始采集数据。三组数据聚集:粒子平均速度vmacr;,螺旋轴上的粒子水平hl和hr(图3)和平均体积v˙吞吐量。
粒子的平均速度是每0.5秒(即，超过10张快照)。为了计算颗粒级，将输送机沿轴分为75段，每段2rP = 2mm长，计算螺旋轴左右两侧的颗粒最高位置。随后，对输送机左右两侧的平均最大高度进行评估，每0.5 s取平均值(与颗粒速度的时间平均值相同)，得到hL和hR(见图3a)。基于螺杆的满盈填充，将颗粒高度级别重新调整为无量纲坐标系。最后,体积平均吞吐量V˙(4, y)被计算的平均体积计算粒子穿越5轴系统的部分,位于一个螺纹长度从一个另一个(图3 b)然后平均时间。
3.结果
3.1颗粒体积流量
我们期望容积吞吐量(流量)与螺杆速度和灌装水平成正比。由于本文所研究的速度状态相对较低(为了防止颗粒在输送机内部离心)，我们期望颗粒输送量与螺杆速度的关系为线性[17]，即。此外,无论是“粒子侧围”还是“回流”将扮演任何的角色在低填料因为这些效应只发生在当粒子的高度大约是在轴的水平。封闭和回流具有不同的充填阈值，前者发生在后者之前。在高填充物时，由于颗粒在螺旋轴上方的水平是恒定的，我们期望颗粒的回流接近一个恒定值。同样，在高时，侧围应消失，因为跳跃的颗粒应填满输送机的右侧。我们的简单考虑表明，吞吐量与灌装量呈非线性关系:
图4显示了螺杆不同角速度下的容积吞吐量随填充水平的函数。令人惊讶的是，吞吐量显示了所有转速的最大值和最小值，当接近轴的顶部边缘时，吞吐量处于局部最小值。原因如下:层颗粒输送机的左边不是统一的沿螺旋轴和峰值接近螺旋叶片,这是不断提升的粒子(参见图3 b和c)。由于这种不均匀,粒子跳过只有一小部分的轴长度而不是沿整个长度,它是必需的,狂热的蜡烛四级总是高于轴上沿水平 。因此，当回流作用于整个长度时，我们期望达到最小的体积吞吐量，当初始填充水平与轴顶水平重合时，即。对于填充比高于此阈值的填充比，回流对卷吞吐量的贡献是恒定的。相反，更高的填充比意味着更高的吞吐量为任何给定的螺杆速度。因此，我们观察到的吞吐量增加。
注意，在饥饿饲料输送机的体积吞吐量是恒定的，对应于一条水平线。因此，在一定的吞吐量范围内，可以实现不同的填充比，因为水平线有三个交叉点，即，在低、中、高填充物水平。这种现象称为多重性，对材料[18]的控制和加工具有重要影响。
3.2 相对轴尺寸的影响
为了验证这个假设,同一组模拟被重复了两轴尺寸设定在 (相对比分别为0.59和0.38),即一个平均粒径更大或更小的比初始轴。相对于螺杆角速度的体积吞吐量归一化如图5所示。由相同轴径引起的曲线坍缩为一条，表明体积吞吐量与假设的y成线性比例。更重要的是,这是证实的新大小是一个关键参数—一特的斜率来确定,特别是其在当地的极端。对于较小的轴(图5中红色所示)，由于在较低的填充量下，颗粒沿整个节距长度回流的阈值达到，因此吞吐量的局部最小值被分配到左侧。对于半径较大的轴(蓝色曲线)，情况正好相反。
3.2.1颗粒顶层高度
由于我们将确定为颗粒回流的关键参数，下一步是研究不同比下颗粒顶层高度随运行参数和的变化情况。图6为颗粒左右高度水平随初始填充水平的函数。结果表明，在不同的螺杆速度和相同的下，由于所选择的低速模式，高度偏差较小。hl的斜率(上分支图6)表明,轴的尺寸没有影响在增加身高的输送机、螺旋升降机的颗粒由于颗粒的摩擦之间的相互作用和螺杆的螺旋升角。这个角度取决于测量点到螺杆轴的径向距离r，定义为叶片在y-z平面上投影到垂直y轴的角度:
的值在靠近外箱处最小，在接近中轴处最大。螺旋角本质上决定了螺旋叶片的几何形状，并给出了螺旋输送机[6]输送效率的测量方法。螺杆提升颗粒的高度也受到摩擦力的影响。由于与颗粒的摩擦(颗粒-壁面摩擦系数)，叶片在重力作用下将输送的物料向上拉。
颗粒间摩擦越大，颗粒材料能够承受的载荷也就越大。在我们的情况下，不同轴之间的差异，因此在平均螺旋角的差异，不足以发挥重要作用。此外，摩擦系数不依赖于叶片与颗粒之间的相对速度(前提是非零)。因此，hL受摩擦效应支配，不受和的影响。在左右观察到的微小差异是由于颗粒的跳跃，小轴比大轴更早触发回流。
对于hr个人来说情况完全不同。的初始斜率曲线平坦而hL由于螺杆几何,不断把左边的粒子,但仍然独立。然而，当填充水平接近时，被推到左侧的颗粒仍然停留在输送机左侧和传动轴之间。这是由于颗粒组件中颗粒的离散尺寸和颗粒的摩擦系数。因此,hr的斜率明显趋于平缓,一旦,特别是对于大轴(蓝色),直到粒子开始回流对由于关闭。此后，从前螺杆段回流的颗粒开始填满右侧，hL与hR高度差减小。当回流沿l均匀时，4 gt; 的hR斜率恢复到原来的值。
从右侧推到左侧的颗粒数量由两个因素决定:螺旋角和偏圆摩擦系数和。这两个参数也决定了粒子由于横向运动而产生的雪崩的斜率。图7中hR/hL曲线的斜率证实了这一点。只要竖井的存在不干扰粒子的水平(即，当)时，无论填充水平如何，hR/hL的斜率都是相同的，只是由于容器的圆形，其斜率波动较小。研究这种特殊系统中的粒子雪崩不在本文的研究范围之内，可能是未来研究的主题。
3.2.2粒子速度
为了更好地理解粒子流，我们检验了粒子速度。进给方向分量(以下简称轴向速度)在螺杆轴附近较高。轴向速度是总速度的组成部分，应该是最大的，因为它是更接近螺杆的轴向速度 (即，螺杆表面绕轴旋转时沿z方向的速度)，进给过程越有效。速度的径向分量定义为，该速度径向分量负责颗粒通过轴与机匣之间的环形环的位移。由于径向速度对颗粒沿进给方向的运动没有影响，因此与输送目的无关。
(x-y平面上的)截线分量。其速度组成分别为vz和vr(如图8a和b所示)，其在不同运行参数和下的时间平均值按其各自螺杆部件速度进行归一化，定义如下
轴向速度增加随着填充和保持不变在较高填充水平只要。图8 c显示了比的函数操作参数。曲线的斜率反映了其组件的趋势,表现出- - -荷兰国际集团(ing)两个高原和。虽然数据点在 (即对于不同的螺杆速度，平均比(虚线)清楚地表明，无论螺杆的填充水平和螺杆速度如何，轴越小，颗粒的输送效率越高。
3.2.3。输送效率
接下来，我们的目标是建立不同的轴径比如何影响颗粒水平和它们的速度，因为这两个方面都以不同的方式影响着体积吞吐量和效率。首先是粒子高度差，它与直接相关。值越高，颗粒回流开始越晚，侧围持续时间越长，轴向输运速度越快。其次，轴越宽，颗粒离螺旋轴越远，螺旋平均角度越大，颗粒输送效率越低。为了确定哪种配置会导致最有效的流程，我们绘制了输送效率，其定义为平均容积吞吐量与平均最大吞吐量的比值:
平均最大吞吐量定义如下:
式中为颗粒最初占据的螺杆截面(如图2a)，式(3)中定义了螺杆，为多螺轮平均吞吐量后的第一个等式保持。注意,图9中的归一化
资料编号：[4981]
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