雙側(cè)壁卸料筒倉動(dòng)態(tài)壓力及流態(tài)的數(shù)值模擬研究

姜學(xué)佳 原方 張健 龐照昆

摘 要：本文利用三維顆粒流軟件PFC3D研究筒壁雙側(cè)卸料方式下高徑比不同（1.1和2.2）的筒倉的靜態(tài)壓力值和動(dòng)態(tài)壓力值以及流態(tài)。結(jié)果表明：筒壁雙側(cè)卸料時(shí)，淺倉倉壁處受到的動(dòng)態(tài)側(cè)壓力變化相對(duì)于深倉而言較為緩和，且超壓系數(shù)相對(duì)較小，安全性較好，模擬貯料流態(tài)與實(shí)驗(yàn)吻合較好。

關(guān)鍵詞：雙側(cè)壁卸料筒倉；超壓系數(shù)；PFC3D

中圖分類號(hào)：TU249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）14-0039-04

The Numerical Simulation Study of Dynamic Pressure and

Flow State of Two Side Wall Unloading Silos

JIANG Xuejia YUAN Fang ZHANG Jian PANG Zhaokun

（School of Civil Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： In this paper， the three-dimensional particle flow software PFC3D was used to study the static pressure values and dynamic pressure values and flow patterns of silos with different height to diameter ratio （1.1 and 2.2）. The results showed that the dynamic side pressure change at the wall of Asakura Kura wall was more relaxed than that in the deep bin when the wall was discharged from both sides of the wall， and the overpressure coefficient was relatively small and the safety was better， and the simulated material flow pattern was in good agreement with the experiment.

Keywords： double side wall unloading silo；overpressure coefficient；PFC3D

隨著糧食產(chǎn)量的增加，人們對(duì)筒倉需求也愈來愈大。筒倉構(gòu)筑物有多種卸料方式，其中以傳統(tǒng)的中心卸料、普通側(cè)壁卸料最為常見。側(cè)壁卸料系統(tǒng)即筒倉糧食依靠貯料自重通過側(cè)壁卸料口進(jìn)行部分卸料。側(cè)壁卸料尤其是雙側(cè)壁卸料可以提高裝卸效率，減少輸送設(shè)備磨損，節(jié)約能源。賈秀琴[1]對(duì)這種卸料方式的筒倉進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，說明了使用側(cè)壁卸料系統(tǒng)的優(yōu)越性。

離散元方法用于研究筒倉的卸料問題具有明顯的優(yōu)勢(shì)。丁盛威[2]、肖昭然[3]曾用PFC3D軟件對(duì)糧倉的側(cè)壓力進(jìn)行了數(shù)值分析，并嘗試改變倉體的幾何參數(shù)及物理參數(shù)以觀測(cè)參數(shù)與側(cè)壓力的關(guān)系。原方[4]等用PFC3D軟件分析了破碎和完好糧食在入倉時(shí)的分級(jí)問題，得到了一些較有建設(shè)性的結(jié)論。

本文采用PFC3D研究分析高徑比不同的筒倉在雙側(cè)壁卸料的方式下，倉內(nèi)散體物料流態(tài)、水平側(cè)壓力和超壓系數(shù)分布及變化規(guī)律，探討這種卸料方式更適宜于深倉還是淺倉，為筒倉設(shè)計(jì)者提供理論依據(jù)。

1 PFC3D模型筒倉建立

深倉數(shù)值模型以美國(guó)GSI公司設(shè)計(jì)的帶流槽側(cè)壁卸料鋼板筒倉為原型，具體模型尺寸如下：倉高1.1m，直徑0.5m，兩側(cè)壁分別設(shè)0.06m×0.085m（寬×高）的長(zhǎng)方形卸料口，倉底漏斗高0.127m，漏斗傾角為30°，漏斗底部為圓形（直徑為0.06m），如圖1所示。

淺倉模型以金地集團(tuán)某項(xiàng)目所采用的筒壁雙側(cè)卸料筒倉為原型，具體模型尺寸為：倉高1.1m，直徑1m，兩側(cè)壁分別設(shè)0.12m×0.085m（寬×高）的長(zhǎng)方形卸料口，倉底漏斗高0.25m，漏斗傾角為30°，漏斗底部為圓形（直徑為0.06m），如圖2所示。

在PFC3D中，筒倉倉壁可以用約束邊界WALL（墻）來實(shí)現(xiàn)，WALL（墻）不僅能生成約束邊界墻，還可以作為傳感器來測(cè)試墻體所處位置的倉壁側(cè)壓力。本文中的兩個(gè)模型倉的測(cè)墻布置方案相同，均布置了三列測(cè)墻，分別為圖3中所示的在出料口兩側(cè)的1列、12列測(cè)墻以及與出料口成90°的17列測(cè)墻。

2 數(shù)值模型的參數(shù)標(biāo)定

顆粒流程序中顆粒選擇分層生成方式直到滿倉，如圖4和圖5所示。同時(shí)，定義每層顆粒的顏色都不相同，使得模擬過程中可以清楚地看清顆粒流動(dòng)狀態(tài)。通過參考多篇文獻(xiàn)和反復(fù)調(diào)試模型的各種參數(shù)，最后選擇的參數(shù)見表1。此刻，模型倉測(cè)出來的靜態(tài)壓力值比較接近理論值和試驗(yàn)值。

3 模型倉的PFC3D數(shù)值模擬

3.1 模型倉的靜態(tài)PFC3D模擬

分別將深倉和淺倉的第17列和第1列測(cè)墻模擬結(jié)果與試驗(yàn)值和理論規(guī)范值[5]進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖中可以看出：三條曲線走向大致相同，只有底部與試驗(yàn)值和理論值相差較大。原因可能是：筒倉底部同時(shí)受到墻體和漏斗的約束，從而使得模擬值產(chǎn)生一定的偏差。

3.2 模型倉的動(dòng)態(tài)PFC3D模擬

待記錄完靜態(tài)側(cè)壓力后，刪除卸料口處的墻，使得顆粒在自重作用下流出卸料口，由虛擬傳感器記錄側(cè)壓力變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。定義超壓系數(shù)為最大動(dòng)態(tài)側(cè)壓力值與靜態(tài)側(cè)壓力值的比值。把深倉和淺倉各列不同深度測(cè)點(diǎn)的超壓系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，深倉的超壓系數(shù)大部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)淺倉各測(cè)點(diǎn)處的超壓系數(shù)。筒倉卸料時(shí)，各測(cè)點(diǎn)都有超壓現(xiàn)象產(chǎn)生，淺倉的超壓系數(shù)大多為1.05～1.2，最大超壓系數(shù)為1.51，位置處于12列0.2m深度處，深倉的超壓系數(shù)大多為1.3～1.5，最大超壓系數(shù)為1.58，位置處于12列0.4m深度處。

4 筒壁雙側(cè)卸料流態(tài)的PFC3D數(shù)值模擬

圖10為模擬與試驗(yàn)卸料對(duì)比圖，3組照片分別選自卸料初期、管狀穩(wěn)定流動(dòng)期和卸料末期3個(gè)階段。對(duì)比試驗(yàn)拍攝的流態(tài)，在開始卸料時(shí)，卸料口附近物料先流出，物料密度降低。隨著卸料時(shí)步的增大，倉內(nèi)上部貯料以整體流動(dòng)方式逐級(jí)降低，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在0.35～0.5m高度處，即程序運(yùn)行至3 100 000時(shí)步時(shí)，開始出現(xiàn)卸料漏斗，顆粒流動(dòng)通道漫延至物料表面，進(jìn)入管狀流動(dòng)方式。當(dāng)顆粒循環(huán)到6 200 000時(shí)步時(shí)，顆粒出現(xiàn)死料區(qū)，不再向外流出。通過將模擬流態(tài)與試驗(yàn)過程中拍攝的照片進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)方式基本吻合。

5 結(jié)論

本文通過顆粒流軟件PFC3D對(duì)高徑比不同（1.1和2.2）的兩種筒倉的動(dòng)態(tài)壓力和貯料流態(tài)進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

①高徑比不同的兩種筒倉在筒壁雙側(cè)卸料時(shí)，均產(chǎn)生了超壓現(xiàn)象，淺倉倉壁處受到的動(dòng)態(tài)側(cè)壓力變化相對(duì)于深倉來說較為緩和，且超壓系數(shù)相對(duì)較小，具有較高的安全性。

②模擬貯料流態(tài)和試驗(yàn)吻合較好，筒壁雙側(cè)卸料能改良貯料流態(tài)，在卸料時(shí)，減少貯料的整體流動(dòng)，提升了筒倉的安全性能。

③如果在雙側(cè)壁卸料筒倉中加入改流體，應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步改善貯料流態(tài)，減少卸料時(shí)動(dòng)態(tài)超壓現(xiàn)象，具體結(jié)論仍需要進(jìn)一步的試驗(yàn)論證。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈秀琴.偏心卸料對(duì)筒倉結(jié)構(gòu)的影響[J].糧油食品科技，2001（3）：43-44.

[2]丁盛威.基于PFC3D的筒倉貯料側(cè)壓力離散元分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[3]肖昭然，王軍，何迎春.筒倉側(cè)壓力的離散元數(shù)值模擬[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（2）：10-12，16.

[4]原方，龐焜，董承英，徐志軍.帶流槽側(cè)壁卸料動(dòng)態(tài)超壓及流態(tài)的PFC～（3D）數(shù)值模擬[J].工程力學(xué)，2016（S1）：301-305.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50077—2003[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.