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粉体技术
螺旋给料系统的离散元法（DEM）模拟和验证
文章告知
文章历史：
2015年6月1日收到
2015年9月18日修订表格
2015年9月26日接受
2015年10月8日正式上线
关键词：
离散元法模拟、螺旋进料器、颗粒流物质流、块体材料、质量流速
摘要
文章提出了一种通过旋转螺杆输送的散装物料转化为水平气缸的进料器的计算粒子流模拟。因此，目标是通过模拟辅助来支持系统设计。这种系统在工业中用于生产具有非常精确确定质量的材料包装或生产用过的散装材料的连续流动。在实际应用中众所周知和常见的问题是材料通量随时间的变化而缺失稳定性，产品质量漂移导致的吞吐量变化以及基于理论的解决方案的设计缺乏。因此，Blender软件（v 2.68）实现了一个模拟器，以促进直接向前和目标定向的螺杆和设备设计。模拟器将系统的几何和物理特性调整为实际进料系统，在该系统上进行实验测量。模拟参数如壁摩擦、内部剪切力和实际合适休止角的实验数据，绝对偏差小于8％。我们证明了简化的粒子模拟工具能够预测真实机器的属性，该机器使用不同类型的旋转螺杆来推进散装材料。模拟中的质量流量与不同螺杆类型和螺杆角速度的实验质量流量至少有10％的偏差。比较批量的流入和流出行为等定性属性，并验证符合性。结果表明，非常简单的粒子模拟工具能够验证和预测使用不同类型的旋转螺杆推进散装材料的机器的性能。仿真工具允许对所有相关机器零件进行建模，而且无需昂贵的实际制造还能测试零件特性。
copy;2015 Elsevier BV保留所有权利
介绍
与化工一起，过程工程科学是上个世纪的领先技术之一。因为这些技术，所有日常需求的产品都可以提高生产效率，同时流体过程被很好的理解利用了。基本上，更复杂的方法是关于固体的，例如研磨，附聚，结晶或固体运输。封闭的分析解决方案不适用于真实情况下工况复杂的设备。随着计算机能力的巨大增长以及新想法的出现，可以在虚拟模拟中对这些复杂环境进行建模。所得到解决方案是可能的广泛解决方案系列的一种实现，其可以引发基于理论的固体过程工程机器的更多改进。
使用计算粒子模型来模拟散装材料的流动是预测：运输或加工颗粒材料（如沙子，粗面粉，药用粉末，颜料，结晶产品等）的系统行为的常用方法。以及所有化学，制药，食品或采矿业中的硫酸铵或己二酸，肥料，聚乙烯粉末，其产品或许多其他散装材料。
模拟流体的一种主要方法是CFD（计算流体动力学），因此使用Navier-Stokes偏微分方程的数值求解[1].它可用于模拟几何形状复杂的流动以及粘度或密度等属性不同的情况。但缺点是无法模拟单个粒子移动，微动力学和异质材料。因此，对于粒状材料，一些不同的方法是合适的。本研究中使用的离散元法（DEM）是一种可以克服这些问题的模拟方法。模拟大量离散粒子，其位置基于作用力（通常是引力，与其他粒子和与墙壁的碰撞力，由于湿度的凝聚力或流动的两个不同相之间的相互作用）计算每个时间步长。[2].冯等人[3] 将DEM与数值Navier-Stokes方法进行了比较，模拟通过带瓶颈的管子的流体流动。尽管DEM需要更多的计算资源，但两种方法之间显示出良好的一致性。佐野和早川[4] 研究了有摩擦和无摩擦的DEM模拟颗粒流，并证实了实验结果和程等人[5]。他们还指出了颗粒流体和完美的液体之间的区别。Renzo和Maio[6] 基于文献研究了与其他粒子碰撞时的粒子力[2] 并将他们的结果与实验数据进行比较。他们的DEM模拟，使用不同的法线和切向分量模型：Hooklike线性模型，基于Hertz接触力学理论的模型和无滑动模型。
螺杆驱动的散装喂料器通常用于不同的工业领域，如运输农业，采矿或制药中的颗粒材料。双螺杆或多螺杆进料器增加了使用范围，因为它们更适合于可延展或粒状材料的热机械加工以及流体的运输。文献中描述了不同多螺杆系统的几何形状和性质及其优点和缺点[7]。现代工业中螺杆给料系统的要求不断提高，即批量更小。要求：易于快速清洗性，可更换性，灵活性，更大的系统，连续加工以及对过程控制和再现性。在不久的将来，灵活性和质量控制的需求的不断增长，在工业4.0挑战中得到了解决。在“工业4.0”标签下，对具有更高质量控制的下一代技术进行了细分。这个关键词代表了实际的讨论，以便通过广泛增加的传感器应用技术和全面的流程理解，来规划未来的智能生产。在这个生产环境中，过程模拟是一个重要的工具，如此处所示。因此，螺旋进料器的物理和技术过程，需要进一步研究和开发。
下面几种实验方法可测量螺杆驱动挤出机内颗粒的流动性质，例如相位多普勒分析，双脉冲全息术，短时摄影和高频电影摄影[9].。Uchida amp; Okamoto [10] 通过在材料运输过程中获取和分析进料器的X射线图像，在散装材料中使用金属示踪剂来分析螺杆驱动的散装进料器内的质量流量。他们还分析了使用不同类型螺杆时材料的行为[11]。
DEM（离散元法）有几种以不同的目标进行模拟进给螺杆系统的方法：Hu等。[12] 分析了螺杆旋转开始时的总扭矩，力和能量耗散。Moysey amp; Thompson[13] 关注了挤出机内部的入口流动特性以及颗粒碰撞过程中的压实，温度分布和传热。Owen amp; Cleary[14] 研究了诸如旋转速度或螺杆倾斜度之类的参数以及散装材料的体积填充水平的影响。费尔南德斯等人[15] 比较了不同的螺杆设计，目的是在填充缸内形成一个空间相等的内部，以防止诸如结块或桥梁建造等不良影响。该性质还取决于颗粒和壁的摩擦参数。侯等人[16] 开发了DEM模型来模拟具有颗粒间内聚力的颗粒并检查了几种流动特性。登格[17]采用了双螺杆。Blender软件[18] 是一个强大的工具，可通过物理建模来帮助解决各种科学问题，例如，生物分子运动的模拟和可视化[19] 或用于分析多相色散的气泡和液滴的模型[20]。
材料与方法
2.1软硬件
在模拟和渲染颗粒的过程中，使用了免费的软件Blender（版本2.68a）[18]。导入附加“分子脚本”用以采用粒子的参数和属性[21]。通过更强大的粒状和流体物质模拟工具，它扩展了Blender离散元方法（DEM）物理引擎。这个附加组件的核心是通过每个粒子的有限径向谐波势来计算粒子和粒子相互作用。这种作用力可以看作是具有吸引力和排斥力的两个粒子之间的相互作用。所使用的物理模型可以通过几个模拟参数进行调整，并对其进行了描述（第2.3节）。螺杆几何形状由STL数据定义，可以导入Blender应用程序。所有模拟均用32 GB RAM内存的3.4 GHz单元英特尔四核i7处理器上执行使。
2.2几何
通常，几何体由笛卡尔空间中的3D网格定义，该3D网格确定了边缘和表面，从而确定对象的体积。每个对象都可以选择为主动或被动。活动对象是动态的，并与其他对象或力场交互，或被动对象在不被移动的情况下进行交互。螺旋进料器的原始STL数据如图所示图1，复制品与系统使用相同的基本几何参数图2。采用直接导入螺杆几何形状来降低复杂性。通过手动创建副本，减少了表面的数量，以优化粒子壁碰撞的计算成本。
图1.带螺杆的原始STL数据的进料器（剖面图）
进料器是由一个容器状的空心圆柱体组成，于实验开始时填充材料。该圆柱体的底部有四个倾斜平面，形成颗粒的直线轨道。在该轨道上方，即内部气缸容积的最低点，安装了阿基米德螺旋，其由气缸后侧的马达驱动。螺杆部分定位在第二空心圆柱体内，第二空心圆柱体直接位于第一圆柱体前侧的孔中。螺杆的另一端位于第二个较小的圆柱体的末端。通过围绕其中心轴以正确的方向调整阿基米德螺旋，驱动放置在填充圆筒内的颗粒通过第二圆筒。表格1列出了进料系统的主要几何参数。模拟中，几何尺寸按比例放大，以便能够相对于进给系统的尺寸减小颗粒的半径。
表格1
馈线系统的几何参数
填充气缸内径 10.0厘米
螺杆油缸内径 1.2厘米
螺杆油缸长度 11.0厘米
螺钉最大半径（螺纹） 1.15厘米
螺钉最小半径（轴） 0.75厘米
螺纹螺距 0.8厘米
螺丝长度 30.0厘米
距离螺钉中心轴到气缸接地 1.5厘米
两个地平面的角度 60 °
2.3物理粒子模拟
粒子的模拟是用Blender的“分子脚本”附加组件（v.2.68）完成的。使用150,000个球形颗粒，半径为0.5mm。每个粒子由其在坐标空间中的位置及其物理相互作用行为来定义。如下所述。颗粒的材料具有1.0kg / l的质量密度，所以每个颗粒的质量为0.52mg。它们在转动螺杆上方的空心圆筒内产生25个时间步长（框架）。每个时间步长代表0.04秒的模拟时间。该颗粒在正常重力下落到圆柱体的地面上（9.81m/ssup2;）。当它们停下来时，螺杆开始以一定的角速度转动并驱动颗粒通过螺杆气缸。模拟完成后，粒子的位置可以通过python（一种编程语言）控制台的命令读出。编写一个小脚本来检查每个粒子的位置是否低于阈值，这表明粒子已从螺杆圆筒中掉出。通过运行两个不同的时间步长脚本，可以计算这两个时间步之间的平均质量流量。为此，通过考虑了（Eq.(1)）定义时间步长差Delta;t的有限模拟来确定质量流率。粒子的参数“步载荷”设置为16以计算其间的时间步长数。这是一个提高准确性的主要时间步骤。
图2.带有颗粒的进料器（搅拌器;实心和线框视图）
根据牛顿物理学计算粒子的运动[18]：
作用力Fi 、重力Fg、空气阻力Fdrag 拖动阻尼Fdamp。将它们相加来计算质量为m的每个粒子的加速度a。
碰撞检测考虑了与其他颗粒的相互作用，螺杆和进料器的内壁的动量和能量的守恒。
在与墙壁或其他静止物体碰撞期间的两个摩擦参数mu;和v，其对于颗粒与壁之间相互作用和颗粒与颗粒间相互作用是不同的。它们在碰撞过程中修改动量（相应速度）的切向（摩擦）和法向（阻尼）分量（方程式（6）和（7）, 图3)。
Blender附加组件“分子脚本”扩展了粒子交互性。自碰撞和粒子相互作用，可以认为每个粒子的电位V（r），取决于距离r两个粒子。自碰撞确保避免粒子交叉的情况。这对于粒状颗粒的模拟是强制性的。两个粒子的碰撞包括参数阻尼和摩擦（方程式（6）和（7）).
V（r）：表示了粒子 - 粒子相互作用的电势
通过具有刚度S的谐振子：
最小距离rmin为一个粒子的直径。若低于该距离，存在与V（r）→infin;的硬颗粒 - 硬颗粒碰撞。参数rmax 可以由软件设置并描述电位的范围。对于大于r最大的距离，粒子不相互作用并且电势V（r）是恒定的。谐波的最小紧张值在r = r0时。电势V（r）如图所示图4。
这是L-J势能函数的近似值，用于描述原子中不带电粒子的相互作用和分子物理学。
在相邻粒子1的电位V（r）内的r处作用于粒子2的力（局部在r = 0），然后导出电势，单位矢量e从粒子1指向粒子2：
图4.两个相互作用粒子的电位V（r）：
通过阻尼力FdampH（通过阻尼参数ddampH定义）定义为两个粒子的相对速度 v r ，成比例来防止粒子的无限加速：
图3.的组成部分(1) 之后(2) 碰撞之前的动量
每个粒子具有相同的电位，这意味着可从这种双颗粒相互作用势的对称性，得出：作用在颗粒2上的颗粒1的力等于作用在颗粒1上的颗粒2的力。速度 v和位置 x由实际加速度a确定。数值积分是通过中点积分完成的，这是一个二阶龙格库塔方法[18]。相关的模拟参数显示在附录A。
2.4在模型中拟合材料参数
进行模拟的基本任务是确保颗粒显示出，与进料器内真实材料的质量流量相当的流动情况，故在这种情况下选择硬粒小麦粗面粉。出于这个原因，进行实验时根据材料的实际情况拟合参数。这些实验是休止角的测量（第2.4.1节），简单确定壁面摩擦力（第2.4.3节和Jenike剪切单元的两个实验（第2.4.2节）：一个用于内部剪切力，另一个用于确定壁面摩擦力。
硬质小麦粗面粉密度的实际值约为0.77千克/升。模拟中给定的密度是指一个球形颗粒的材料密度。因此，由于球体之间的气隙，材料的填充密度较，球体密堆积的填充密度因子为74％，所以取模拟颗粒密度为1.0 kg / l作为良好的近似值。
为了找到最佳模拟参数值，进行每个参数地逐一优化，从而找到一个参数设置，其材料属性适合所有拟合标准。内容如下：
-
- 休息角度（第2.4.1和3.1.1节).
- 根据Jenike剪切单元的剪力常数（第2.4.2节 和3.1.2).
- 墙面摩擦（第2.4.3和3.1.3节).
在材料特性的拟合之后，使用进给螺杆系统执行验证测试，其结果证明实验和模拟数据的一致性。内容如下：
-
- 不同螺钉和角速度的质量流量（（第2.5和3.2节).
- 模拟中粒度的依赖性（第2.6和3.3节).
- 流入和流出行为等定性属性（第2.7、3.4和3.5节).
2.4.1休止角度
资料编号：[4961]
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