基于相似性原理的回转筒内颗粒运动分析

发布时间：2020-08-09 11:26

【摘要】：球磨机、回转窑等回转设备广泛应用于水泥、化工、矿业和制药行业,主要用于物料的粉磨、混合、煅烧等,筒内颗粒运动情况与物料破碎效果、混合质量等产品性能的优劣及工作效率紧密相关。由于筒内颗粒运动的定量信息难以通过实验手段获取,因此数值模拟成为研究回转筒内颗粒运动的重要手段。随着工业回转筒设备不断朝着大型化的方向发展,其内部颗粒规模和体系不断扩大,给数值模拟带来了巨大的挑战。采用GPU、GGPU、并行等常规高性能高效率计算手段虽然能一定程度上增加颗粒计算体系和提高计算效率,但一般颗粒体系规模难以突破千万量级,与实际回转筒内的颗粒数量依然存在巨大差距。为此,研究者不得不采用缩小计算体系的方法来对实际工业回转筒进行仿真研究。常见的方法有缩小回转筒尺寸和增大颗粒粒径等。深入研究缩小后回转筒内颗粒运动形态的尺度效应是进一步阐明筒内颗粒运动的必要途径,也是解决颗粒计算体系规模的有效方法。本文提出了两种缩小回转筒内颗粒系统规模的方法,推导了缩比后的相似模型与原模型的物理参数及结构参数之间的缩比关系,并结合实验和数值仿真来对相似模型与原型间参数的缩比关系进行验证,主要研究内容如下:(1)对回转筒内颗粒脱离过程进行受力分析,建立了颗粒脱离角与回转筒转速、重力加速度以及回转筒半径之间的相互作用关系;并据此对相似模型和原型的相关物理参数和结构参数之间的缩比关系进行了推导。(2)基于所推导的参数缩比关系,设计了一系列实验方案,研制了回转筒内物料运动分析实验平台,设计并制备了三个不同大小的回转筒,采用高速相机分别对筒内单颗粒实验和多颗粒实验过程进行了跟踪拍摄;提取了单颗粒在不同回转筒内的运动轨迹和多颗粒抛落过程形成的颗粒帘轮廓,分析对比以验证所推导缩比关系的正确性。(3)以ABS颗粒为研究对象,首先通过排水法、刮片法、碰撞法、接触摩擦法等方法测量了它的的物性参数和接触参数,建立了对应的DEM模型。随后分别建立了缩小回转筒和放大颗粒粒径的相似模型,基于所推导的缩比关系,修正了相似模型的参数,进行了多组数值仿真。最后通过对比仿真结果进一步验证所推导的缩比关系的正确性和可行性。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH113.2
【图文】：

回转筒,设备,球磨机,磨机

湘潭大学硕士学位论文第 1 章绪论1.1 研究背景及意义球磨机、回转窑等回转筒设备广泛应用于化工、水泥、矿业和制药行业，主要用于散体物料的加热、研磨、混合、煅烧、干燥等。一般来说，工业回转筒设备体积庞大，内部颗粒数量多且运动情况复杂。以球磨机为例，它是已破碎的物料进一步粉碎的关键设备。按照长径比可将其分为短磨机（长径比 2）、中长磨机（长径比≈3）和长磨机（长径比>4）。20 世纪 80 年代国际上曾有预测，合理范围内最大球磨机的直径不应超过 5米，否则球磨机内会出现影响其效率的蠕动区。但实际上，球磨机的发展趋势却一直在朝大型化靠拢。目前我国的大型化磨机离国际水平还存在一定差距。迄今为止，我国最大的球磨机是中信重工企业生产的规格为 7.32 m×10.68 m 的溢流型球磨机[1]。

相机,回转筒,手段,散体物料

图 1-2 PEPT 相机在平行板间工作[2]图 1-3 PIV 图像[10](a) MRI 系统 (b) 径向偏析的 MRI 表现图 1-4 MRI 实验测量手段[11]在此种研究背景下，研究者开始借助计算机数值模拟的手段对回转筒内的物料颗粒运动情况进行研究。常用的数值模拟方法如有限元法也曾被用于散料的研究[16]，然而散体物料是由许多颗粒组成的，并且颗粒间有不可忽略的相互作用，属于聚集态物质。颗

图像,回转筒,手段,散体物料

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