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振动筛面颗粒流三维离散元法模拟

时间:2017-08-11  来源:中国振动筛网  作者:admin  浏览次数:550

  振动筛面颗粒流三维离散元法模拟赵啦啦,刘初升,闰俊霞,蒋小伟,张阳(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116))模拟研究,分析了煤料颗粒流在筛分过程中的运动状态和筛分效率动态变化规律以及入料颗粒的粒度分布对筛分效率的影响。结果表明:各粒级颗粒具有相似的速度变化规律和相近的平均速度幅值。易筛颗粒的筛分效率较高且变化幅度较小,对整体筛分效率的影响较小;难筛颗粒的筛分效率较低且变化较剧烈,对整体筛分效率具有较大的影响作用;沿筛面长度方向,筛分效率在入料端最低,排料端最高,中间较高且基本相等;随着难筛颗粒和阻碍粒含量的增加,筛分效率逐渐减小,当2种颗粒含量分别为25%和10%时,稳定状态下的筛分效率减幅变缓。

  筛分是散体(颗粒)物料进行尺寸分级的主要药、化工、能源及环境等领域。散体物料是由大量离技术手段,广泛应用于矿业、冶金、建材、食品、医散固体颗粒构成的集合体,是与流体、固体并存于基金项目:国家自然科学基金项目(50574091,50774084)江苏省"33工程"科研基金项目;煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室开放基金项目(CPELKF08-02)自然界中的一种重要物质形态,在外部周期力作用切向力造成的力矩和滚动摩擦力矩,则第i个颗粒下可展现出颗粒的对流运动(convectionmotion)的运动方程可由式(1碰撞接触力r此外,果1粒还受到,种力矩的作用c即ubs力作用下i腠群不断八抛掷。料被抛起后沾及尺寸分离(izesegregation)等许多复杂的集体行为。颗粒系统的研究是当前国际上的一个研究热点,具有重要的基础科学意义和工程应用价值。

  20世纪70年代发展起来的用于计算散体介质系统力学行为的一种数值方法,在岩土工程、采矿工程、矿物加工、物料分选等散体工程技术领域得到了成功的应用,并迅速发展成为一个多学科交叉的研究领域>7.利用DEM可得到难以测量的颗粒级微观信息,如颗粒的空间位置、速度、受力、能量变化等,以帮助人们理解离散颗粒物质的微观及宏观特性,能够替代部分物理试验,从而减少人、财、物的投入及能源消耗,因此在国内外得到了广泛的应用。然而,目前国内外仅有少数研究者利用离散元法对物料的筛分过程进行了模拟研究。在国外,LI等利用离散元法对颗粒流在固定筛面上的筛分行为进行了二维模拟,其中入料颗粒为大小2种粒径并且颗粒间为规则排列;CLEARY等对振动筛面上固定数量颗粒的筛分过程进行了三维模拟,分析了颗粒形状对筛分效率的影响作用。在国内,赵跃民对振动筛面上颗粒群的筛分过程进行了二维离散元法模拟,并进行了相应的试验验证。

  由于二维模拟未能充分体现实际颗粒间的相互作用,与三维模拟相比具有较大的误差,而国内目前尚未见对筛分过程进行三维离散元法模拟研究的报导。因此,本文基于离散元法对振动筛面上的颗粒流进行了三维数值模拟,对筛分过程中的粒群运动进行了模拟和分析,讨论了各粒级颗粒的筛分效率变化规律及筛分效率沿筛面的变化规律,分析了入料粒度分布对筛分效率的影响,为深入理解和进一步揭示振动筛面颗粒流运动规律和筛分机理提供了依据。

  1颗粒接触模型本文基于DA.在上述力和力矩的综合作用下,颗粒不断发生移动和滚动。

  2数值模拟及分析以煤炭物料颗粒的筛分过程为例,各模拟参数列于表1中。筛面尺寸为300mmX150mm,筛孔尺寸a为10mm,入料颗粒由20000个球颗粒组成,粒径d范围为2mm15mm.其中,相对粒度(d/a)为0207的易筛颗粒数量占总体的80%,相对粒度为0 710的难筛颗粒数量占15%相对粒度为1015的阻碍粒数量占5%模拟筛机为直线振动筛,振动频率为14Hz振幅为3mm,振动方向角45筛面倾角5由于本文的研究重点在于振动筛面上颗粒系统的运动过程,因此模拟过程中采用了简化的振动筛模型,并忽略了次要部分的模拟。

  表1模型物理参数物理密度/弹性恢静摩擦滚动摩泊松比剪切模参数(kg.m-3)复系数因数擦因数煤颗粒筛面由多粒级组成的颗粒群在振动筛面上的运动非常复杂,颗粒间的碰撞作用使得颗粒运动轨迹具有很大的随机性。粒群在筛面上的运动和筛分,一般分为静止、松散、分层和透筛4个过程。当粒群以一定速度冲击筛面后,处于短暂的静止状态以获取和积蓄能量,准备下一次的抛掷运动。在振动筛面中国矿业大学学报使颗粒处于松散状态,有利于大小颗粒之间的分层。分层后小颗粒到达料层底部,与筛面接触并进行尺寸比较,比筛孔尺寸小的颗粒则发生透筛形成筛下物。

  颗粒物料筛分过程的三维离散元法模拟过程,如所示。筛分初始时,处于均混状态的颗粒物料从入料端进入筛面,与筛面发生碰撞后部分小颗粒发生透筛而成为筛下物,同时粒群在振动筛面的作用下向前输送,如a所示。随着入料的增多和筛分过程的进行,筛面上的颗粒逐渐形成颗粒流,大小颗粒之间不断发生分层,与筛面接触并透筛的小颗粒数量增多。同时,未透筛的小颗粒和不能透筛的阻碍粒则随筛面的振动而继续运动,如b,c所示。当整个筛面被物料覆盖后,筛分过程达到稳定状态。当物料到达排料端时,料层发生明显的分层现象,阻碍粒运动至料层之上并靠近排料端,而小颗粒则处于下层并靠近筛面,此时物料由阻碍粒和少部分未透筛的小颗粒组成,并随着筛面的运动被排出形成筛上物,如d所示。21颗粒群运动状态分析态。由于物料在筛面上的运动速度与筛机的处理能筛分过程中,粒群随着筛面的振动而运动,其力和筛分效率都具有密切的关系,因此本文对筛面中小颗粒不断地透筛,阻碍粒和未透筛的小颗粒则上粒群颗粒的速度分布及各粒级颗粒的速度变化向排料端输送,颗粒系统呈现类流体的复杂运动状规律进行了模拟研究,所得结果如所示。

  当筛分时间t为2s时,粒群在筛面上的速度分布情况如a所示,颗粒的颜色对应着不同的速度幅值。从模拟过程可以看出,筛面上的粒群颗粒具有不同的速度并随筛面的振动而动态变化。筛分过程达到稳定状态时,筛面上的粒群速度在0.3不同粒度的颗粒在筛分过程中平均速度的变化情况如b所示。由于筛分过程中颗粒受筛面的周期力作用,颗粒整体呈现类似流体的流动特性,并且颗粒之间存在广泛的相互碰撞作用,从而导致颗粒速度具有稳定地周期性变换规律,各粒级速度幅值均为Q35m/s左右。

  22动态筛分效率及其沿筛面的分布规律筛分过程中,并不是所有小于筛网尺寸的颗粒都能够透筛,而是有一部分小颗粒会随着阻碍粒及大颗粒一起排出成为筛上产物。为衡量筛分过程的质量,引入了筛分效率的概念。它是综合反映筛分质量的一个重要指标,并受到物料水分含量、难筛颗粒含量、颗粒形状、筛孔形状与筛面开孔率、筛机运动参数、料层厚度和筛面长度等因素的影响。实际筛分作业中,入料、透筛、输送和排料是一个连续的动态过程,筛分效率是随着时间变化而动态变化的,无法利用传统的静态筛分效率公式计算。因此,本文采用动态筛分效率来考察物料的筛分效果,其值可根据下式求得时刻所产生的筛下产物重量;At为t时刻物料中所含细粒颗粒的总重量。模拟过程中,通过对筛下物颗粒及筛上物的细粒颗粒含量进行动态统计分析,从而求得筛分效率随时间的变化规律,所得部分结果如所示。

  a为筛分过程中不同粒级颗粒的筛分效率变化情况,可以看出:当筛分未达到稳定状态时,筛下物产量远大于筛上物产量,因此筛分效率很高。随着筛分过程的进行,筛上物产量逐渐增多,筛分效率逐渐达到稳定状态。另外,易筛颗粒物料的筛分效率变化程度较小并稳定于Q76左右;难筛物料的筛分效率变化程度较大,并对整体筛分效率具有较大的影响,其稳定值约为Q5;整体筛分效率则稳定于Q 64左右。

  为考察物料在筛面上的透筛情况,将筛面沿长度方向等分为6段,物料颗粒在各段筛面上的筛分效率变化情况如b所示。可以看出:筛面各段具有不同的筛分效率变化规律且具有一定的分布规律。筛分初始阶段(1s)由于粒群尚未达到整个筛面,因此筛面前2段具有很高的筛分效率,而接近排料端处则尚未有筛下物产生,对应筛分效率为零。随着筛分的进行,筛面各段均开始产生筛下物,并且排料端开始产生筛上物,前两段筛面的筛分效率逐渐趋于稳定,同时后段筛面的筛分效率则逐渐增大。当筛分过程达到稳定状态时,筛面各段的筛分效率也趋于动态平衡。另外,由于粒群随着筛面的振动不断发生分层和透筛,料层厚度也沿着筛面长度递减,因此筛分效率沿筛面长度方向依次增大,从第1段筛面处的QQ6增加至第6段筛面处的Q 155,而第3段至第5段之间均有较高效率,其值均为Q133左右。可见,筛分效率沿筛面的分布规律能够清晰地反映物料在筛面上的筛分过程,能够帮助理解和揭示颗粒物料在筛面上的透筛23入料粒度组成对筛分效率的影响入料颗粒的粒度组成是影响筛分效率的主要内在因素之一,本文采用2组不同的入料颗粒,分别讨论稳定筛分状态时难筛颗粒含量及阻碍粒含量对筛分效率的影响规律。为方便比较,对所得曲线进行了拟合,如所示。

  从a可以看出,在阻碍粒含量为5%的条件下,稳态筛分效率随着难筛颗粒含量的增加而逐渐降低。难筛颗粒含量由15%增加至20%时,稳态筛分效率的减幅最大,从064减小为054.当难筛颗粒含量大于25%时,筛分效率减小速度减缓。

  其原因是筛分过程中发生透筛成为筛下物的难筛颗粒数量增加,一定程度上弥补了易筛颗粒含量变化对筛分效率的影响。

  由b可知,难筛颗粒含量为15%时,稳态筛分效率随着阻碍粒含量的增加而降低,并且阻碍粒含量由5%增加至10%时,稳定状态时的筛分效率降幅最大,从064降至045.其原因是阻碍粒数量增加而易筛颗粒数量减少,降低了易筛颗粒的透筛量,同时也增加了小颗粒筛分过程中的分层难度,从而导致筛分效率的快速降低。但随着阻碍粒含量的进一步增大,筛分效率的减少幅度有所下降,原因是由于筛面颗粒活跃程度增加,使得颗粒间的分层速度增加,阻碍粒能够快速被排出,小颗粒可以充分透筛,从而减缓了筛分效率的降幅。

  对ab进行比较后可知,筛分效率受难筛颗粒含量的影响较大,而阻碍粒仅在含量较低时,筛分效率受其含量变化的影响较大。当难筛颗粒和阻碍粒含量均较高时,相应的筛分效率降幅都有所减小;另外,由于前者具有较多的可透筛颗粒而具有较高的稳态筛分效率,而后者的可透筛颗粒含量较少,因此其稳态筛分效率较低。

  3结论振动筛面上的颗粒流具有类似流体的复杂运动特性,粒群颗粒的速度随筛面的振动而动态变化,其平均幅值在0 307m/s之间波动,各粒级颗粒在宏观上具有相似的速度变化规律,平均速度幅值均约为0筛分效率是动态变化的,粒群中各粒级颗粒具有不同的筛分效率变化规律,其中易筛颗粒的筛分效率变化程度较小,对整体筛分效率的影响较小;而难筛颗粒的筛分效率变化较剧烈,并且对整体筛分效率具有很大的影响作用;筛面各段具有不同的筛分效率变化规律,稳定筛分状态时,筛分效率沿筛面长度方向依次递增,从入料端处筛面的006,增加至排料端处筛面的0. 155,而中间筛面则具有较高的筛分效率且均为0.133左右。

  入料粒度分布是影响筛分效率的主要内因之一,难筛颗粒和阻碍粒含量均对筛分效率具有显著的影响,并随两者含量的增加而逐渐减小,当难筛颗粒和阻碍粒含量分别为25%和10%时,稳态筛分效率的减幅变缓。

  三维离散元法是一种有效的数值模拟方法,能够较精确地模拟并预测筛分过程中粒群的运动过程,能够为筛分理论的研究及新型筛分设备的研制提供新的依据。

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