滚筒端面对颗粒物料轴向流动特性影响的离散模拟研究_王兴坤.pdf

第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Discrete modeling of the end-wall effect on particle axial movement in horizontal drumXingkun WANG1,Xuhui ZHANG1,Hui GUO2,3,Xiaoxing LIU2,3*1.Beijing Guodian Futong Science and Technology Development Co.,Ltd.,Beijing 100070,China2.State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China3.School of Chemical Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,ChinaAbstract:Aiming at the short drum system in which only one end face can rotate with the side wall in the slag crushing process,the discrete element method(DEM)is used to simulate and study the influence of the drum length-diameter ratio and rotation speed on the axial flow characteristics of granular materials.Simulation results indicate that distinct axial convention occurs inside the system:particles in the upstream zone tend to move towards the fixed end-wall side,whereas those in the downstream zone are apt to shift towards the rotating end-wall side.At low rotating speed condition,along the transverse direction the axial velocity profile of particles at the free surface presents an asymmetric characteristic.The axial velocity magnitude of particles in the upstream zone is clearly smaller than that of particles in the downstream zone.The axial velocity magnitude of particles in the two zones reaches the maximum value at y/R=0.725,and the position where the axial velocity is 0 does not appear in the tangential middle position.Such asymmetric characteristic is nearly independent on the axial length of the drum,whereas increasing the rotational speed of the drum will increase the axial velocity of the particles and gradually reduce this asymmetry.Changing the rotating speed of the drum has a greater effect on the axial flow of particles in the upstream zone of the material than on the axial flow of particles in the downstream zone.When the length-diameter ratio of the drum reaches 1.2,the influence area of the rotating end-wall on the axial flow of the material will not change significantly with the increase of the rotating speed of the drum.The simulation results thus provide helpful guidelines for the future optimization of the real drum system used for particle milling.Key words:discrete element method(DEM);granular material;rotating drum;flow characteristics FixedL研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222030收稿：2022-01-24，修回：2022-04-12，网络发表：2022-06-11；Received:2022-01-24,Revised:2022-04-12,Published online:2022-06-11基金项目：中国科学院绿色过程制造创新研究院自主部署课题(编号：IAGM-2019-A13)；多相复杂系统国家重点实验室自主研究课题(编号：MPCS-2021-A-14)作者简介：王兴坤，硕士，机械工程师，从事低阶煤分质综合利用研究工作；通讯联系人，刘晓星，研究员，从事颗粒物质介尺度科学研究，E-mail:引用格式引用格式：王兴坤,张旭辉,郭辉,等.滚筒端面对颗粒物料轴向流动特性影响的离散模拟研究.过程工程学报,2023,23(2):207215.Wang X K,Zhang X H,Guo H,et al.Discrete modeling of the end-wall effect on particle axial movement in horizontal drum(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):207215,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222030.过 程 工 程 学 报第 23 卷 滚筒端面对颗粒物料轴向流动特性影响的离散模拟研究王兴坤1，张旭辉1，郭 辉2,3，刘晓星2,3*1.北京国电富通科技发展有限责任公司，北京 1000702.中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 1001903.中国科学院大学化学工程学院，北京 100049摘要：针对碎渣工艺中仅一个端面可随侧壁转动的短滚筒体系，采用离散单元法模拟研究了滚筒轴径比和转动速度对颗粒物料轴向流动特性的影响。模拟结果表明，系统内形成了显著的轴向对流结构：物料层顶部处颗粒物料会朝向滚筒固定端面一侧运动，而物料层趾部区域颗粒则朝向滚筒转动端面一侧运动。低转速条件下，沿物料自由表面由顶部到趾部，颗粒轴向速度呈非对称分布，顶部区域颗粒轴向速度绝对值显著小于趾部区域颗粒轴向速度绝对值；两部分区域颗粒轴向速度绝对值分别在y/R=0.725处达到极大值，且轴向速度为0的位置并不出现在切向的中间位置。改变滚筒的轴长对这种非对称分布的影响近似可忽略，但是增大滚筒转速会增大颗粒轴向运动速度并逐步减弱这种非对称性。改变滚筒转速，对物料顶部区域颗粒的轴向流动的影响要大于对趾部区域颗粒轴向流动的影响。当滚筒轴径比达到1.2后，滚筒转动端面对物料轴向流动的影响区域不会随滚筒转速的增大而呈现显著变化。这些结果为实际滚筒碎渣工艺的结构优化提供了理论指导。关键词：离散单元法；颗粒物质；滚筒；流动特性中图分类号：TB126 文献标识码：A 文章编号：1009-606X(2023)020207091 前 言 作为一种处理颗粒物料的常见装置，滚筒在各种过程工业中得到了广泛的应用1。深入认识滚筒中颗粒物料的运动行为，对于设计、优化和放大相关滚筒装置和操作条件具有重要的意义2。已有的文献报道结果表明，由于颗粒性质不同，在滚筒的径向和轴向上会出现偏析现象3，该现象很多情况下与颗粒的轴向运动直接相关。Yang等4,5研究了粒径存在差异的颗粒混合物在滚筒中的轴向偏析现象。他们发现，增大两种颗粒的粒径比使偏析行为更加明显，且在三元混合物中，中间粒径的颗粒在轴向上处于大小颗粒之间，推测这种现象源自颗粒的轴向运动。一般认为滚筒中出现颗粒偏析的必要条件是不同颗粒间存在粒径和/或密度差异1,6。Wang等7对滚筒中颗粒物料混合过程的实验研究表明，初始时刻均匀混合的两种颗粒物料，当它们仅存在休止角差异时，随着滚筒的转动两种物料的界面处会形成短暂的径向偏析结构：在切向截面上，物料层外围主要由动态休止角大的颗粒物料构成，而物料层内部则主要富集动态休止角小的颗粒物料。与Yang等4,5类似，Wang等7推测这种现象的发生与颗粒动态休止角差异导致颗粒轴向流动直接相关。为进一步研究颗粒的轴向运动行为，文献8-10通过在滚筒轴向不同位置处插入较小内径的分割环以阻碍颗粒物料的轴向流动，他们发现分割环的插入可以使通常情况下出现的稳定偏析结构逐渐消失；而当插入位置靠近端面时，分割环对颗粒的偏析行为没有影响，认为端面效应掩盖了分割环的作用。尽管研究人员已经认识到颗粒物料在滚筒中的某些复杂斑图结构与颗粒轴向运动直接相关11，但关于颗粒物料在滚筒中轴向运动特性的直接刻画的文献报道还很少。这主要是因为绝大多数关于滚筒中颗粒物料流动特性的研究中，所考察的滚筒或者为拟二维结构，或者滚筒轴径比非常大，滚筒端面效应往往被忽视。Pohlman等12基于高速摄像技术研究了滚筒中物料表面颗粒的轴向运动行为。他们的实验结果表明，滚筒端面的摩擦作用减缓了端面附近物料表面颗粒的切向速度，从而使滚筒中颗粒物料的自由表面沿滚筒轴向发生流动，且当滚筒的轴径比小于1时，在滚筒的整个轴向均能观察到物料层表面颗粒显著的轴向运动。Chen等13针对Pohlman等12的实验系统，开展了相应的离散单元法数值模拟。他们的模拟结果表明，这种轴向流动行为与颗粒-滚筒端面的摩擦系数密切相关，且颗粒轴向流动不仅发生在物料表面，在物料层内部也会发生，同时端面效应明显改变了切向截面上物料流动层的厚度。近期研究结果14表明，在短滚筒中，静止端面给颗粒的摩擦阻力对颗粒混合有明显的抑制作用，且增大滚筒长度可以减小这种作用。在前期工作中，本课题组针对某碎渣工艺中的核心208第 2 期王兴坤等：滚筒端面对颗粒物料轴向流动特性影响的离散模拟研究滚筒装置展开了离散单元法数值模拟研究15,16。在实际操作过程中，该滚筒一侧端面可随侧壁一起转动，另一侧端面固定不动，起到悬空整个装置的作用。在该装置的运行过程中发现，相比于转动端面，固定端面更容易受到碎渣的腐蚀。基于Pohlman等12和Chen等13的研究结果，有理由推测这种现象可能源自滚筒端面的不对称操作导致系统中颗粒物料形成了轴向流动。