颗粒混合过程DEM模拟中搜索网格尺寸的优化

作者:许玉鹏;崔丽杰;葛蔚;张家元;林伟刚 刊名:计算机与应用化学 上传者:唐富山

【摘要】随着计算机技术的迅猛发展,离散单元法(DEM)模拟已成为颗粒体系研究中普遍采用的方法。该方法一般采用网格划分技术来搜索邻近颗粒,以达到O(N)水平的计算复杂性。其中,网格的大小是影响模拟速度的重要因素。本研究对280mm×1060mm挡板式混合器中半径分别为R和r的2种颗粒物料的混合进行了模拟(运行在配置Intel~(?)Xeon~(?)E5430 2.66GHz处理器的工作站上),颗粒分别从混合器顶端两侧给入,汇聚成颗粒流,与挡板发生撞击并沿着挡板流动,从而达到混合的目的。研究分别考察了R=r=1mm、R=r=2mm、及R=2~3mm而r=1~2mm的3种条件和不同浓度颗粒在不同搜索网格尺寸下的运行速度。模拟结果发现,在当前的模拟体系下,单粒径颗粒及不同粒径颗粒的模拟速度由网格总数及网格内的颗粒数决定。在相同条件下,当搜索网格尺寸约为相应粒径的3倍时,计算速度较快;当颗粒的质量流量相同时,颗粒数密度与粒径的3次方成反比,因此对小颗粒的模拟计算耗时较多;另外,对颗粒质量流量在(1~10)t/h之间变化时的模拟结果表明,高流量会增加混合器中的物料浓度,从而导致模拟时间的增加。这些发现对提高颗粒物料混合的DEM模拟的效率有重要参考价值。

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颗粒体系广泛存在于日常生活、工业过程、生态环境等各个方面[1]。随着计算机技术的迅猛发展,离散单元法(disereteelementme伍od,DEM)模拟己成为颗粒体系研究中普遍采用的方法[2]。该方法跟踪每个颗粒的物理运动轨迹,为此颗粒间的碰撞采用软球模型处理,并以时间驱动方式演化[l]。该方法自20世纪70年代被提出以来,已被广泛应用于岩土、矿业、建筑以及医药与食品加工等方面卜5],在指导工程及工艺设计方面作用显著[‘,]。在DEM方法中,颗粒之间只有直接接触才能相互作用,颗粒之间受力计算最简单的算法就是对于每个颗粒,遍历自身以外的所有颗粒,计算它们之间的作用力;但是这样的时间复杂度是。(N2),其效率很难满足实际应用的要求。因此,一般采用网格划分技术来搜索邻近颗粒,这时算法的复杂度可降到。洲水平。其中,网格的大小仍然是影响计算量的重要因素。基于此,本文对2种颗粒物料在挡板式混合器中的混合过程进行了模拟,对不同粒径情况下的搜索网格的大小进行了优化。2模拟方法、参数和体系2.1离散单元法简介离散单元法的基本思想是将2个离散单元(如颗粒)之间的碰撞过程抽象为一个弹簧、一个阻尼器以及一个滑动摩擦器的共同作用[9],如图1所示。(a)Normalfo代es(b)TangentialforcesFig.lContactforeesmodelinDEM,1.图1DEM碰撞模型19]本文所采用的DEM模型主要是在Cundall等[l0]的基础上,结合孔uji等[9一川,Lo飞ston等[‘2一,,]以及zhou等[4-,41的工作发展得到的。根据该模型,质量为麟,转动惯量为石的颗粒i由于和邻近颗粒或边界的接触碰撞而产生的平动和转动可以描述为:、.尹、.产11,‘了.了.、、d叱从idt一艺(Fcn,。十Fct,。十凡,。十凡。)+m‘gd码“器一薯‘界十城’其中,叱和。i分别是颗粒i的平动和转动速度。m‘为重力,凡,和Fc‘。分别为颗粒间碰撞引起的法向和切向接触外力,万汤.。和凡。分别为法向和切向的阻尼,颗梅作用在颗粒i上的力矩包括切向力矩兀和弹性滞后以及变形所引起的滚动磨擦所产生的力矩对砂。式(l)和式(2)中计算力和力矩的公式已在以前工作[l51中给予详细的描述。相658计算机与应用化李应的程序己成功应用于上海宝山钢铁集团对铁矿石烧结布料工艺偏析过程的模拟和优化Il5],并取得了显著的经济效益。2.2模拟体系介绍及参数的选取混合器内构件设计如图2所示,2种颗粒分别从混合器顶端两侧给入,汇聚成颗粒流,与挡板发生撞击并沿着挡板流动,从而达到混合的目的。主要模拟参数如表l所示。表1主要模拟参数几ble1MajorsunulationParametersPararoetersBafnePartieleAPartieleByoUng,5mo如lus,E(GPa)20()44Poissonratiov033027027r韶titutioneoeffieienteo名0,60石sliding伍etioneoeffieienr召,0名0.80名rolling示etioneoeffieien‘产r(nun)0刀5density(kg/m)14002000diameterofP翻rticle(mm)22massflowrate(比)110initialveloeityofeoldp训eles,巧(耐s)7名sxlo一3而tialvelocityofhotpartieles,V2(rn/s)4,6xlo一2timesteP(s)14278xl05TotaltimesteP

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