基于EDEM-Fluent耦合方法的負(fù)壓篩分堵塞分析

馬衛(wèi)國，李晨，聶玲

長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023

鉆井液是鉆井作業(yè)中的循環(huán)介質(zhì)，主要作用于清洗井筒、平衡地層壓力、穩(wěn)定井壁、提高鉆井速度等，井筒返出的鉆井液必須及時清除其中的鉆屑，維護(hù)鉆井液的性能。傳統(tǒng)的鉆井液固相處理設(shè)備主要有振動篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)等，處理后的鉆屑含有大量的液體，損失了大量的鉆井液，更突出的問題是對環(huán)境的沖擊。近年來，國內(nèi)外基于負(fù)壓過濾原理提出了一種新型的負(fù)壓篩分系統(tǒng)，可以有效分離鉆井液中的鉆屑，降低鉆屑的含濕率和鉆屑無害化處理量，同時可以清除鉆井液中的有機(jī)揮發(fā)物和侵入的氣體，分離效率高、液相回收充分、更加環(huán)保[1,2]。不同于常規(guī)振動篩，負(fù)壓篩分系統(tǒng)是基于真空形成的壓差和氣流脫附原理實(shí)現(xiàn)固液分離，為了提高處理效率可以伴隨高頻低幅振動。然而，負(fù)壓篩分系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中易出現(xiàn)篩網(wǎng)堵塞，增加真空壓差，減少氣流量，降低篩分效率。

近年來，離散元方法和計(jì)算流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于各類篩分裝置的分析。李洪昌等[3]采用EDEM軟件模擬振動篩篩分過程得到了最佳篩分運(yùn)動學(xué)參數(shù)；李成[4]采用EDEM軟件分析了振動篩的運(yùn)動參數(shù)、顆粒物料屬性、給料速率等因素對振動篩篩分過程篩網(wǎng)堵塞的影響；胡書闖等[5]采用EDEM軟件建立了振動篩的運(yùn)動軌跡模型，分析了運(yùn)動軌跡對堵塞的影響規(guī)律；李周等[6]針對高含硫氣藏，采用EDEM-Fluent耦合方法研究了地層孔隙中硫的沉積規(guī)律；喻黎明等[7]基于CFD-DEM耦合方法模擬不同流量下Y型網(wǎng)式過濾器內(nèi)部不同粒徑的沙粒運(yùn)動及分布，并結(jié)合試驗(yàn)揭示了過濾器在不同流速和過流量條件下對堵塞的過程的影響；李文霞[8]基于理論和EDEM-Fluent耦合方法研究了不同氣流速度條件下負(fù)壓振動篩顆粒的運(yùn)動規(guī)律；CHENZEMAN[9]采用EDEM-Fluent耦合方法研究了氣流速率和風(fēng)向角對顆粒分離效率的影響。綜上，EDEM軟件被廣泛應(yīng)用于顆粒物的運(yùn)動和動力學(xué)分析，耦合Fleunt軟件分析顆粒物在流體流動場中的運(yùn)動和力學(xué)問題，能夠很好地適應(yīng)過濾、篩分等氣固、液固分離的內(nèi)部流場分析和參數(shù)設(shè)計(jì)。

然而，篩分、過濾過程中，濾網(wǎng)的堵塞是常見的問題，也是影響篩分、過濾性能的重要因素。當(dāng)前成果主要基于篩網(wǎng)運(yùn)動條件下的篩分性能和顆粒堵塞篩網(wǎng)研究，真空過濾是基于負(fù)壓產(chǎn)生的壓差和氣流脫附原理實(shí)現(xiàn)固液分離，濾網(wǎng)在過濾過程中處于相對靜止。因此，研究負(fù)壓條件下濾網(wǎng)的堵塞行為及其對過濾壓差和氣流量的影響規(guī)律，對于揭示真空過濾機(jī)理有較好的參考價(jià)值。為此，筆者基于EDEM-Fluent耦合方法，研究了負(fù)壓篩分過程中篩網(wǎng)堵塞規(guī)律及其影響因素，旨在為提高負(fù)壓篩分系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性及處理效率提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)

模型離散假設(shè)條件如下[10]：

1)顆粒系統(tǒng)的變形是系統(tǒng)中所有顆粒點(diǎn)變形的總和；

2)顆粒之間的接觸發(fā)生在很小的區(qū)域內(nèi)，即點(diǎn)接觸；

3)顆粒之間接觸特性為軟接觸，顆粒在接觸點(diǎn)處允許發(fā)生一定數(shù)量的重疊，顆粒之間的重疊量與顆粒尺寸相比很?。?/p>

4)在每個時間步內(nèi)擾動不能從任一顆粒同時傳播到它的相鄰顆粒。在所有的時間內(nèi)任一顆粒上作用的合力可以由與其接觸的顆粒之間的相互作用唯一確定。

1.2 接觸理論模型

若顆粒為干化顆粒，顆粒間沒有相互粘附力的作用，可在EDEM軟件中采用Hertz-Mindlin基本接觸模型[10]，顆粒間力的傳遞計(jì)算通過下述模型計(jì)算得出。

假設(shè)半徑分別為R1、R2的2個球形顆粒發(fā)生彈性接觸，顆粒間法向接觸力為[11]：

式中：Eeq為等效彈性模量，GPa;α為法向重疊量,mm;Req為等效接觸半徑，mm。

法向阻尼力和切向阻尼力計(jì)算式[4]為：

圖1 EDEM-Fluent耦合流程圖Fig.1 EDEM-Fluent coupling flow chart

圖2 物料處理筒三維模型及網(wǎng)格模型Fig.2 3D model and grid model of material handling barrel

切向力與摩擦力μsFn有關(guān)，μs為靜摩擦系數(shù)。動摩擦系數(shù)可通過接觸表面上的力矩說明，即：

Ti=-μFnRωi

式中：μ為動摩擦系數(shù)，1；R為質(zhì)心到接觸點(diǎn)距離，mm;ωi為接觸點(diǎn)到物體的單位角速度，rad/s。

1.3 耦合計(jì)算模型

為更好地描述顆粒在負(fù)壓條件下過篩的特性，通過udf編譯的耦合文件將EDEM和Fluent進(jìn)行耦合，能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算在負(fù)壓篩分過程中的氣流和顆粒間作用力。

EDEM-Fluent進(jìn)行耦合模擬時，耦合模型主要有2種，分別是歐拉-拉格朗日法(Eulerian-Lagrange)和歐拉-歐拉(Eulerian-Eulerian)法。歐拉-拉格朗日耦合方法只涉及到了氣固兩相的動量交換沒有考慮顆粒相體積分?jǐn)?shù)，且只適用于局部固相體積分?jǐn)?shù)小于10%的情況，其優(yōu)勢是計(jì)算速度較快;歐拉-歐拉法又叫雙歐拉法，該耦合方法考慮了固相與流體的相互作用，主要包括質(zhì)量、動量和能量的交換[8]。

因?yàn)橛?jì)算中涉及到固相堆積，固相堆積過程中局部固相體積分?jǐn)?shù)會超過10%，所以計(jì)算采用歐拉-歐拉方法將顆粒相處理為離散相。EDEM-Fluent耦合模型計(jì)算流程圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬及主要仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 建立篩分模型

負(fù)壓篩分原理如下：物料從物料入口進(jìn)入物料處理筒，物料處理筒底部出口連接負(fù)壓室，顆粒物料隨高速氣流進(jìn)入物料處理筒，篩分初期氣體和粒徑小于篩網(wǎng)孔的顆粒通過篩網(wǎng)，粒徑大于篩網(wǎng)孔或接近篩網(wǎng)孔的顆粒中一部分會被篩網(wǎng)截留，并堆積成床，一部分顆?？赡苤饾u堵塞網(wǎng)孔。負(fù)壓室導(dǎo)致篩網(wǎng)上、下產(chǎn)生的壓差和氣流作用，可以提高鉆井液固液分離效率。

基于負(fù)壓篩分原理，使用Solidworks三維建模軟件建立三維物料處理筒模型，如圖2(a)所示，物料處理筒主要由物料入口、物料篩分筒、篩網(wǎng)、出口和負(fù)壓室組成。實(shí)際篩網(wǎng)過濾面積為0.03m2，考慮到計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算能力模型簡化為只有物料入口、篩網(wǎng)和物料篩分筒的裝配體，并將模型尺寸縮小為1/200，簡化篩網(wǎng)為多孔流道結(jié)構(gòu)[12]且篩網(wǎng)目數(shù)不變，即計(jì)算過濾面積為150mm2，選擇100目篩網(wǎng)，孔型為方形孔，孔尺寸a=0.15mm，其流體域網(wǎng)格模型如圖2(b)所示。

2.2 顆粒模型

鉆井液中分布有粒徑各不相同的固相顆粒，而且形狀各異無規(guī)律性。為簡化計(jì)算模型，這里針對易發(fā)生堵塞的顆粒進(jìn)行模擬分析，文獻(xiàn)[13]已經(jīng)證明了球形顆粒模擬篩分過程的可行性，這里假設(shè)固相顆粒為球形顆粒。EDEM軟件中提供有固定顆粒粒徑、平均分布、隨機(jī)分布、正態(tài)分布、用戶自定義等幾種粒徑分布方式。因顆粒粒徑分布較混亂沒有規(guī)律，因此采用不同顆粒粒徑混合配比，在指定粒徑范圍內(nèi)隨機(jī)分布的方式建立3類顆粒模型，顆粒粒徑分布根據(jù)篩網(wǎng)孔徑按比例設(shè)置為多種類粒徑混合，其混合比例如表1所示。

表1 顆粒粒徑混合比例

2.3 固體顆粒和篩網(wǎng)的力學(xué)特性及接觸參數(shù)設(shè)置

顆粒參數(shù)可在EDEM軟件中的GEMM數(shù)據(jù)庫進(jìn)行選擇，其各項(xiàng)物理參數(shù)如表2、3所示[8]。

表2 物料物理屬性

表3 材料間接觸屬性

2.4 仿真參數(shù)設(shè)置

負(fù)壓篩分過程是一個復(fù)雜的氣固耦合的過程，采用單一仿真模擬軟件無法對其過程進(jìn)行系統(tǒng)描述，因此需要耦合端口結(jié)合不同仿真軟件對其進(jìn)行仿真模擬。研究采用EDEM-Fluent耦合的方法對負(fù)壓篩分過程中顆粒運(yùn)動及堵塞情況進(jìn)行模擬分析，顆粒相采用EDEM2018版本計(jì)算，氣相采用Fluent19.0進(jìn)行計(jì)算。在EDEM軟件中設(shè)置顆粒各項(xiàng)參數(shù)，接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑移模型[14]，重力加速度為9.81m/s2，方向沿Z軸負(fù)方向；Fluent中先加載edem_udf耦合文件，并連接至EDEM軟件，隨后選擇壓力算法耦合求解器[15]，模型選擇k-ε模型，工作環(huán)境為一個大氣壓。

對流體域網(wǎng)格劃分后，設(shè)置物料處理筒出口為速度出口，進(jìn)口為大氣環(huán)境自由流入，出口為恒定流速流動，可以通過調(diào)節(jié)出口處氣流速度來控制篩分過程中的氣流量;由于2個軟件之間耦合計(jì)算需要相互傳遞數(shù)據(jù)，F(xiàn)luent中時間步長設(shè)置必須是EDEM中時間步長的整數(shù)倍。EDEM中時間步長設(shè)置為2×10-6s，保存時間設(shè)置為0.005s，F(xiàn)luent中時間步長設(shè)置為2×10-4s，迭代計(jì)算5000步，總計(jì)算時間為1s。

3 仿真結(jié)果與分析

基于EDEM-Fluent耦合方法進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同參數(shù)條件下負(fù)壓篩分過程氣體流動特性和固相顆粒堵塞對篩分性能的影響。

3.1 氣流量對篩分性能的影響

圖3 計(jì)算域靜壓力分布云圖Fig.3 Cloud diagram of static pressure distribution in computing domain

改變出口處氣流量，計(jì)算在不同氣流量條件下顆粒運(yùn)動、壓力分布、顆粒堆積及篩網(wǎng)堵塞規(guī)律。顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.4‰，顆?；旌吓浔葹楸?中比例1，當(dāng)氣體流量為4.05L/min時流體域內(nèi)壓力達(dá)到穩(wěn)定時刻靜壓分布云圖如圖3所示，在顆粒堆積層和篩網(wǎng)形成的過濾床上下有明顯的壓力差。物料處理筒內(nèi)X方向和Z方向在不同時刻顆粒分布如圖4所示，隨著時間的增長，顆粒堆積層增厚，通過篩網(wǎng)的顆粒逐漸減少，易透篩的顆粒也被顆粒床和篩網(wǎng)截留，存在堵塞現(xiàn)象。當(dāng)改變氣流量時，氣流通過顆粒堆積層和篩網(wǎng)形成的過濾床所需的負(fù)壓隨氣流量的增大而增大，且在初始時間所需負(fù)壓較低，隨時間增長所需負(fù)壓快速增大，但逐步趨于穩(wěn)定，如圖5所示。

圖4 顆粒位置分布圖Fig.4 Particle location distribution

圖5 不同氣流量條件所需負(fù)壓隨時間變化Fig.5 Variation of negative pressure with time for different air flow conditions

圖6 顆粒堵塞篩網(wǎng)圖Fig.6 Particle blocking screen diagram

為了揭示篩網(wǎng)上顆粒堵塞篩孔的現(xiàn)象，提取了篩網(wǎng)表面顆粒堵塞篩網(wǎng)形式，如圖6所示。觀察表明，存在大量顆粒嵌入篩網(wǎng)網(wǎng)孔形成堵塞，且因?yàn)轭w粒粒徑不同，顆粒嵌入篩網(wǎng)網(wǎng)孔的深度也不相同。

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明顆粒粒徑與篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸接近的顆粒容易嵌入篩網(wǎng)網(wǎng)孔發(fā)生堵塞，堵塞篩網(wǎng)網(wǎng)孔的顆粒粒徑主要分布在0.15～0.17mm之間。參考文獻(xiàn)[4]研究表明顆粒粒徑在(0.75～1)a的顆粒為難通過篩網(wǎng)顆粒，顆粒粒徑在(1～1.1)a的顆粒為堵孔顆粒，a為篩網(wǎng)孔尺寸，該研究結(jié)果與參考文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果基本一致。

3.2 顆粒體積分?jǐn)?shù)對篩分性能的影響

控制物料入口處顆粒體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算不同顆粒體積分?jǐn)?shù)條件下氣流通過顆粒堆積層和篩網(wǎng)形成的過濾床所需的負(fù)壓及物料處理筒內(nèi)顆粒堆積規(guī)律。顆?；旌媳仍O(shè)置為表1中比例1，氣流量設(shè)置為4.05L/min，顆粒體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為氣流量的體積比。計(jì)算結(jié)果表明，隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，物料處理筒內(nèi)顆粒堆積量增加，且在不同顆粒體積分?jǐn)?shù)條件下顆粒堆積量隨時間變化趨勢相同，其變化曲線如圖7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，初始時間顆粒堆積增長速率相對緩慢，表明有部分易透篩的小顆粒穿過篩網(wǎng)網(wǎng)孔，隨著時間的增長，顆粒逐漸增多，篩網(wǎng)網(wǎng)孔堵塞程度增加，穿過篩網(wǎng)網(wǎng)孔的顆粒逐漸減少，顆粒堆積增長速率隨時間的增長呈線性增加。另外，不同顆粒體積分?jǐn)?shù)條件下，氣流通過顆粒堆積層和篩網(wǎng)形成的過濾床所需的負(fù)壓也有改變，其變化曲線如圖8所示。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較小時，氣流通過所需的負(fù)壓增加緩慢，在計(jì)算時長內(nèi)沒有達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)增加到一定程度之后，顆粒體積分?jǐn)?shù)對氣流通過所需的負(fù)壓影響不顯著，且在計(jì)算時長內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。

3.3 顆粒粒徑占比對篩分性能的影響

控制不同顆粒粒徑混合配比，分析在5種顆?；旌吓浔葪l件下通過顆粒堆積層和篩網(wǎng)形成的過濾床所需的負(fù)壓及物料處理筒內(nèi)顆粒堆積規(guī)律。顆粒粒徑混合配比如表1所示，氣流量設(shè)置為4.05L/min，顆粒量為氣流量的0.4‰。不同顆?；旌媳壤龡l件下物料處理筒內(nèi)流動所需負(fù)壓隨時間變化曲線如圖9所示，不同顆?；旌媳壤龡l件下顆粒堆積量隨時間變化如圖10所示。

如圖9所示，當(dāng)易透篩的細(xì)小顆粒增加，不透篩顆粒減少時(如比例5)，氣流通過所需的負(fù)壓較小，且隨時間增長增加緩慢，當(dāng)易透篩的細(xì)小顆粒減少，不透篩顆粒增加時，氣流通過所需的負(fù)壓較大，且顆粒粒徑混合配比對氣流通過所需的負(fù)壓影響不顯著，負(fù)壓增加的規(guī)律性強(qiáng)，在計(jì)算時長內(nèi)能夠達(dá)到穩(wěn)定。結(jié)果表明，當(dāng)易透篩細(xì)小顆粒增加時，部分細(xì)小顆粒在氣流作用下穿過篩網(wǎng)網(wǎng)孔。圖10所示進(jìn)一步表明，當(dāng)易透篩細(xì)小顆粒增加時，顆粒堆積增長相對緩慢。

圖7 不同顆粒體積分?jǐn)?shù)條件下堆積量隨時間變化曲線 圖8 不同顆粒體積分?jǐn)?shù)條件下所需負(fù)壓隨時間變化曲線Fig.7 Variation curve of accumulation volume with time under different particle concentration conditions Fig.8 Variation curve of required negative pressure with time under different particle concentration conditions

圖9 不同混合比例條件下所需負(fù)壓隨時間變化曲線 圖10 不同混合比例條件下堆積量隨時間變化曲線Fig.9 Variation curve of required negative pressure with time under different mixing ratio conditions Fig.10 Variation curve of accumulation volume with time under different mixing ratio conditions

4 結(jié)論與建議

基于EDEM-Fluent耦合方法模擬了負(fù)壓篩分的氣體流動特性和固相顆粒堵塞對篩分性能的影響，并得出如下結(jié)論;

1)無論混合顆粒配比如何改變，篩網(wǎng)堵塞都會形成。篩網(wǎng)堵塞與顆粒直徑和顆粒體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，易透篩細(xì)小顆粒占比越大，篩網(wǎng)堵塞所需要的時間越長；顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，篩網(wǎng)堵塞所需要的時間越短。

2)負(fù)壓作用下氣體通過顆粒堆積層和篩網(wǎng)形成的濾床產(chǎn)生的壓降在短時間內(nèi)上升并達(dá)到穩(wěn)定，且壓降隨氣體流量的增加而增加。篩面顆粒堆積量對氣體通過濾床產(chǎn)生的壓降影響不大，篩網(wǎng)堵塞是產(chǎn)生氣流壓降的主要因素。但是，在一定負(fù)壓條件下，氣流能夠通過顆粒堆積層和堵塞的篩網(wǎng)，即負(fù)壓條件下篩分能夠有效截留固體顆粒物。為了避免顆粒堆積層增厚，需要更大的負(fù)壓，篩分設(shè)計(jì)需要及時將分離出的顆粒物輸送離開真空區(qū)。

3)該研究以氣固流動為研究對象，沒有考慮液固條件下液體通過濾床的流動阻力和濕固體表面的粘附和張力作用，需要在今后進(jìn)行深入的研究。