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振動篩面顆粒流三維離散元法模擬

時間:2017-08-11  來源:中國振動篩網  瀏覽次數:2124

  振動篩面顆粒流三維離散元法模擬趙啦啦,劉初升,閏俊霞,蔣小偉,張陽(中國礦業大學機電工程學院,江蘇徐州221116))模擬研究,分析了煤料顆粒流在篩分過程中的運動狀態和篩分效率動態變化規律以及入料顆粒的粒度分布對篩分效率的影響。結果表明:各粒級顆粒具有相似的速度變化規律和相近的平均速度幅值。易篩顆粒的篩分效率較高且變化幅度較小,對整體篩分效率的影響較小;難篩顆粒的篩分效率較低且變化較劇烈,對整體篩分效率具有較大的影響作用;沿篩面長度方向,篩分效率在入料端低,排料端高,中間較高且基本相等;隨著難篩顆粒和阻礙粒含量的增加,篩分效率逐漸減小,當2種顆粒含量分別為25和10時,穩定狀態下的篩分效率減幅變緩。

  篩分是散體(顆粒)物料進行尺寸分級的主要藥、化工、能源及環境等領域。散體物料是由大量離技術手段,廣泛應用于礦業、冶金、建材、食品、醫散固體顆粒構成的集合體,是與流體、固體并存于基金項目:國家自然科學基金項目(50574091,50774084)江蘇省\"33工程\"科研基金項目;煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室開放基金項目(CPELKF08-02)自然界中的一種重要物質形態,在外部周期力作用切向力造成的力矩和滾動摩擦力矩,則第i個顆粒下可展現出顆粒的對流運動(convectionmotion)的運動方程可由式(1碰撞接觸力r此外,果1粒還受到,種力矩的作用c即ubs力作用下i腠群不斷八拋擲。料被拋起后沾及尺寸分離(izesegregation)等許多復雜的集體行為。顆粒系統的研究是當前國際上的一個研究熱點,具有重要的基礎科學意義和工程應用價值。

  20世紀70年代發展起來的用于計算散體介質系統力學行為的一種數值方法,在巖土工程、采礦工程、礦物加工、物料分選等散體工程技術領域得到了成功的應用,并迅速發展成為一個多學科交叉的研究領域>7.利用DEM可得到難以測量的顆粒級微觀信息,如顆粒的空間位置、速度、受力、能量變化等,以幫助人們理解離散顆粒物質的微觀及宏觀特性,能夠替代部分物理試驗,從而減少人、財、物的投入及能源消耗,因此在國內外得到了廣泛的應用。然而,目前國內外僅有少數研究者利用離散元法對物料的篩分過程進行了模擬研究。在國外,LI等利用離散元法對顆粒流在固定篩面上的篩分行為進行了二維模擬,其中入料顆粒為大小2種粒徑并且顆粒間為規則排列;CLEARY等對振動篩面上固定數量顆粒的篩分過程進行了三維模擬,分析了顆粒形狀對篩分效率的影響作用。在國內,趙躍民對振動篩面上顆粒群的篩分過程進行了二維離散元法模擬,并進行了相應的試驗驗證。

  由于二維模擬未能充分體現實際顆粒間的相互作用,與三維模擬相比具有較大的誤差,而國內目前尚未見對篩分過程進行三維離散元法模擬研究的報導。因此,本文基于離散元法對振動篩面上的顆粒流進行了三維數值模擬,對篩分過程中的粒群運動進行了模擬和分析,討論了各粒級顆粒的篩分效率變化規律及篩分效率沿篩面的變化規律,分析了入料粒度分布對篩分效率的影響,為深入理解和進一步揭示振動篩面顆粒流運動規律和篩分機理提供了依據。

  1顆粒接觸模型本文基于DA.在上述力和力矩的綜合作用下,顆粒不斷發生移動和滾動。

  2數值模擬及分析以煤炭物料顆粒的篩分過程為例,各模擬參數列于表1中。篩面尺寸為300mmX150mm,篩孔尺寸a為10mm,入料顆粒由20000個球顆粒組成,粒徑d范圍為2mm15mm.其中,相對粒度(d/a)為0207的易篩顆粒數量占總體的80,相對粒度為0 710的難篩顆粒數量占15相對粒度為1015的阻礙粒數量占5模擬篩機為直線振動篩,振動頻率為14Hz振幅為3mm,振動方向角45篩面傾角5由于本文的研究重點在于振動篩面上顆粒系統的運動過程,因此模擬過程中采用了簡化的振動篩模型,并忽略了次要部分的模擬。

  表1模型物理參數物理密度/彈性恢靜摩擦滾動摩泊松比剪切模參數(kg.m-3)復系數因數擦因數煤顆粒篩面由多粒級組成的顆粒群在振動篩面上的運動非常復雜,顆粒間的碰撞作用使得顆粒運動軌跡具有很大的隨機性。粒群在篩面上的運動和篩分,一般分為靜止、松散、分層和透篩4個過程。當粒群以一定速度沖擊篩面后,處于短暫的靜止狀態以獲取和積蓄能量,準備下一次的拋擲運動。在振動篩面中國礦業大學學報使顆粒處于松散狀態,有利于大小顆粒之間的分層。分層后小顆粒到達料層底部,與篩面接觸并進行尺寸比較,比篩孔尺寸小的顆粒則發生透篩形成篩下物。

  顆粒物料篩分過程的三維離散元法模擬過程,如所示。篩分初始時,處于均混狀態的顆粒物料從入料端進入篩面,與篩面發生碰撞后部分小顆粒發生透篩而成為篩下物,同時粒群在振動篩面的作用下向前輸送,如a所示。隨著入料的增多和篩分過程的進行,篩面上的顆粒逐漸形成顆粒流,大小顆粒之間不斷發生分層,與篩面接觸并透篩的小顆粒數量增多。同時,未透篩的小顆粒和不能透篩的阻礙粒則隨篩面的振動而繼續運動,如b,c所示。當整個篩面被物料覆蓋后,篩分過程達到穩定狀態。當物料到達排料端時,料層發生明顯的分層現象,阻礙粒運動至料層之上并靠近排料端,而小顆粒則處于下層并靠近篩面,此時物料由阻礙粒和少部分未透篩的小顆粒組成,并隨著篩面的運動被排出形成篩上物,如d所示。21顆粒群運動狀態分析態。由于物料在篩面上的運動速度與篩機的處理能篩分過程中,粒群隨著篩面的振動而運動,其力和篩分效率都具有密切的關系,因此本文對篩面中小顆粒不斷地透篩,阻礙粒和未透篩的小顆粒則上粒群顆粒的速度分布及各粒級顆粒的速度變化向排料端輸送,顆粒系統呈現類流體的復雜運動狀規律進行了模擬研究,所得結果如所示。

  當篩分時間t為2s時,粒群在篩面上的速度分布情況如a所示,顆粒的顏色對應著不同的速度幅值。從模擬過程可以看出,篩面上的粒群顆粒具有不同的速度并隨篩面的振動而動態變化。篩分過程達到穩定狀態時,篩面上的粒群速度在0.3不同粒度的顆粒在篩分過程中平均速度的變化情況如b所示。由于篩分過程中顆粒受篩面的周期力作用,顆粒整體呈現類似流體的流動特性,并且顆粒之間存在廣泛的相互碰撞作用,從而導致顆粒速度具有穩定地周期性變換規律,各粒級速度幅值均為Q35m/s左右。

  22動態篩分效率及其沿篩面的分布規律篩分過程中,并不是所有小于篩網尺寸的顆粒都能夠透篩,而是有一部分小顆粒會隨著阻礙粒及大顆粒一起排出成為篩上產物。為衡量篩分過程的質量,引入了篩分效率的概念。它是綜合反映篩分質量的一個重要指標,并受到物料水分含量、難篩顆粒含量、顆粒形狀、篩孔形狀與篩面開孔率、篩機運動參數、料層厚度和篩面長度等因素的影響。實際篩分作業中,入料、透篩、輸送和排料是一個連續的動態過程,篩分效率是隨著時間變化而動態變化的,無法利用傳統的靜態篩分效率公式計算。因此,本文采用動態篩分效率來考察物料的篩分效果,其值可根據下式求得時刻所產生的篩下產物重量;At為t時刻物料中所含細粒顆粒的總重量。模擬過程中,通過對篩下物顆粒及篩上物的細粒顆粒含量進行動態統計分析,從而求得篩分效率隨時間的變化規律,所得部分結果如所示。

  a為篩分過程中不同粒級顆粒的篩分效率變化情況,可以看出:當篩分未達到穩定狀態時,篩下物產量遠大于篩上物產量,因此篩分效率很高。隨著篩分過程的進行,篩上物產量逐漸增多,篩分效率逐漸達到穩定狀態。另外,易篩顆粒物料的篩分效率變化程度較小并穩定于Q76左右;難篩物料的篩分效率變化程度較大,并對整體篩分效率具有較大的影響,其穩定值約為Q5;整體篩分效率則穩定于Q 64左右。

  為考察物料在篩面上的透篩情況,將篩面沿長度方向等分為6段,物料顆粒在各段篩面上的篩分效率變化情況如b所示。可以看出:篩面各段具有不同的篩分效率變化規律且具有一定的分布規律。篩分初始階段(1s)由于粒群尚未達到整個篩面,因此篩面前2段具有很高的篩分效率,而接近排料端處則尚未有篩下物產生,對應篩分效率為零。隨著篩分的進行,篩面各段均開始產生篩下物,并且排料端開始產生篩上物,前兩段篩面的篩分效率逐漸趨于穩定,同時后段篩面的篩分效率則逐漸增大。當篩分過程達到穩定狀態時,篩面各段的篩分效率也趨于動態平衡。另外,由于粒群隨著篩面的振動不斷發生分層和透篩,料層厚度也沿著篩面長度遞減,因此篩分效率沿篩面長度方向依次增大,從第1段篩面處的QQ6增加至第6段篩面處的Q 155,而第3段至第5段之間均有較高效率,其值均為Q133左右。可見,篩分效率沿篩面的分布規律能夠清晰地反映物料在篩面上的篩分過程,能夠幫助理解和揭示顆粒物料在篩面上的透篩23入料粒度組成對篩分效率的影響入料顆粒的粒度組成是影響篩分效率的主要內在因素之一,本文采用2組不同的入料顆粒,分別討論穩定篩分狀態時難篩顆粒含量及阻礙粒含量對篩分效率的影響規律。為方便比較,對所得曲線進行了擬合,如所示。

  從a可以看出,在阻礙粒含量為5的條件下,穩態篩分效率隨著難篩顆粒含量的增加而逐漸降低。難篩顆粒含量由15增加至20時,穩態篩分效率的減幅大,從064減小為054.當難篩顆粒含量大于25時,篩分效率減小速度減緩。

  其原因是篩分過程中發生透篩成為篩下物的難篩顆粒數量增加,一定程度上彌補了易篩顆粒含量變化對篩分效率的影響。

  由b可知,難篩顆粒含量為15時,穩態篩分效率隨著阻礙粒含量的增加而降低,并且阻礙粒含量由5增加至10時,穩定狀態時的篩分效率降幅大,從064降至045.其原因是阻礙粒數量增加而易篩顆粒數量減少,降低了易篩顆粒的透篩量,同時也增加了小顆粒篩分過程中的分層難度,從而導致篩分效率的快速降低。但隨著阻礙粒含量的進一步增大,篩分效率的減少幅度有所下降,原因是由于篩面顆粒活躍程度增加,使得顆粒間的分層速度增加,阻礙粒能夠快速被排出,小顆粒可以充分透篩,從而減緩了篩分效率的降幅。

  對ab進行比較后可知,篩分效率受難篩顆粒含量的影響較大,而阻礙粒僅在含量較低時,篩分效率受其含量變化的影響較大。當難篩顆粒和阻礙粒含量均較高時,相應的篩分效率降幅都有所減小;另外,由于前者具有較多的可透篩顆粒而具有較高的穩態篩分效率,而后者的可透篩顆粒含量較少,因此其穩態篩分效率較低。

  3結論振動篩面上的顆粒流具有類似流體的復雜運動特性,粒群顆粒的速度隨篩面的振動而動態變化,其平均幅值在0 307m/s之間波動,各粒級顆粒在宏觀上具有相似的速度變化規律,平均速度幅值均約為0篩分效率是動態變化的,粒群中各粒級顆粒具有不同的篩分效率變化規律,其中易篩顆粒的篩分效率變化程度較小,對整體篩分效率的影響較小;而難篩顆粒的篩分效率變化較劇烈,并且對整體篩分效率具有很大的影響作用;篩面各段具有不同的篩分效率變化規律,穩定篩分狀態時,篩分效率沿篩面長度方向依次遞增,從入料端處篩面的006,增加至排料端處篩面的0. 155,而中間篩面則具有較高的篩分效率且均為0.133左右。

  入料粒度分布是影響篩分效率的主要內因之一,難篩顆粒和阻礙粒含量均對篩分效率具有顯著的影響,并隨兩者含量的增加而逐漸減小,當難篩顆粒和阻礙粒含量分別為25和10時,穩態篩分效率的減幅變緩。

  三維離散元法是一種有效的數值模擬方法,能夠較地模擬并預測篩分過程中粒群的運動過程,能夠為篩分理論的研究及新型篩分設備的研制提供新的依據。

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