基于CFD-DEM耦合的裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

陳淑云,左迎光

(國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

高自動(dòng)化是定量裝車(chē)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的方向,快速定量裝車(chē)可以減少裝卸物料所需的時(shí)間,提高工作效率。定量裝車(chē)系統(tǒng)由多種機(jī)械設(shè)備構(gòu)成,包括散料裝車(chē)溜槽、緩沖倉(cāng)、鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架和稱(chēng)重倉(cāng)等。帶式傳輸機(jī)[1]將待裝物料運(yùn)輸?shù)娇煅b系統(tǒng)后,會(huì)在封閉的環(huán)境中緩存并稱(chēng)重物料,之后利用裝車(chē)溜槽將定重物料運(yùn)輸?shù)杰?chē)廂中。優(yōu)化裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù),可以提高溜槽內(nèi)物料的分布均勻性,同時(shí)降低物料裝車(chē)所需的時(shí)間。但是現(xiàn)階段裝車(chē)站設(shè)計(jì)溜槽裝車(chē)后的物料質(zhì)量分布不均勻,并且粉塵質(zhì)量濃度較高,針對(duì)該問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。

沈佳興等[2]采用ANSYS Workbench軟件根據(jù)參數(shù)優(yōu)化理論優(yōu)化設(shè)計(jì)溜槽參數(shù),并對(duì)優(yōu)化后溜槽的聲學(xué)性能、諧響應(yīng)性和抗沖擊性能展開(kāi)驗(yàn)證。但是該方法在實(shí)際應(yīng)用后其粉塵質(zhì)量濃度較高。葉方平等[3]結(jié)合Archard磨損模型和Herz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型模擬分析裝載溜槽在不同工況和顆粒物料條件下磨損與應(yīng)力、應(yīng)變之間的變化情況,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)溜槽展開(kāi)優(yōu)化。但是該方法存在物料質(zhì)量分布不均勻的問(wèn)題。

在上述方法的基礎(chǔ)上,為解決其存在的問(wèn)題,提出基于CFD-DEM耦合的裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法。

1 基于CFD-DEM耦合的有限元模型建立

裝車(chē)站系統(tǒng)的工作流程為:將車(chē)廂移動(dòng)到指定位置,控制設(shè)計(jì)裝車(chē)系統(tǒng)打開(kāi)倉(cāng)閘門(mén),物料通過(guò)設(shè)計(jì)溜槽運(yùn)輸?shù)较路降能?chē)廂內(nèi),如圖1所示。

有限元模型設(shè)計(jì)如下。

1)設(shè)計(jì)溜槽建模,利用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)裝車(chē)站溜槽模型,將溜槽模型轉(zhuǎn)變?yōu)镮GES格式,以此滿(mǎn)足CFD求解工具的求解要求[4]。

2)CFD仿真參數(shù)與邊界條件。

裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法通過(guò)Fluent完成物料下落過(guò)程的模擬:

a)裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)選用RNG-K模型作為湍流模型;

b)設(shè)置溜槽進(jìn)口為速度進(jìn)口,與進(jìn)口界面之間為垂直關(guān)系,設(shè)置風(fēng)速為0,湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%,將風(fēng)量出口設(shè)置為壓力出口;

c)耦合結(jié)果可通過(guò)SIMFLLC算法和壓力基求解器共同計(jì)算得到,同時(shí)通過(guò)QUICK計(jì)算壓力,在此基礎(chǔ)上,采用CFD完成流速梯度的耦合;

d)將上述設(shè)置的參數(shù)與EDEM耦合。

3) 通過(guò)下述過(guò)程設(shè)置EDEM邊界條件和物理參數(shù)[5-6]:

a)確定物料顆粒模型、車(chē)輛模型和溜槽模型的相關(guān)參數(shù),可將參數(shù)分為以下兩類(lèi):第一類(lèi)碰撞特性參數(shù):滾動(dòng)摩擦因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、物料間作用系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)等;第二類(lèi)物料運(yùn)動(dòng)特性參數(shù):剪切模量、泊松比和密度等。

在EDEM中設(shè)置上述參數(shù),根據(jù)車(chē)廂板和溜槽的材料屬性,完成剪切模量、泊松比和摩擦因數(shù)等參數(shù)的設(shè)置,在溜槽艙內(nèi)根據(jù)物料特征通過(guò)離散源程序設(shè)定物料以及其分布規(guī)律、物性參數(shù)和粒徑大小。

b)在EDEM軟件的物理特性選項(xiàng)卡中,選擇Hertz-Mindlin接觸模型作為物料之間的接觸模型。

c)將“y向”作為重力系數(shù)方向,創(chuàng)建新的物料材料,記為“Coal”,將溜槽和車(chē)廂壁板的材料記為“Steel”。兩種材料的屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

2 物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

1)顆粒運(yùn)動(dòng)分析

物料在裝車(chē)站溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為以下3個(gè)階段:第1階段為弧形下落;第2階段為碰撞反射;第3階段為穩(wěn)定運(yùn)輸。

在y=300mm的zx平面中,選取0.1m、0.3m和0.9m 這3個(gè)高度的數(shù)據(jù),分析靜止空氣中物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。所設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)溜槽模型,結(jié)果如圖2所示。

圖2 溜槽最優(yōu)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的溜槽,記錄不同高度下物料的平均運(yùn)動(dòng)速度變化情況如圖3所示。

圖3 速度分布

由圖3可知,物料在下降過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)速度極大值。首個(gè)速度極大值出現(xiàn)在羽流核心區(qū)域,在卷吸空氣的影響下物料發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),方向?yàn)樗闹?物料在擴(kuò)散過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度與擴(kuò)散范圍直徑之間呈反比;第2個(gè)速度極大值出現(xiàn)在物料第1次與溜槽發(fā)生碰撞時(shí)的核心區(qū)域。不同高度下,物料的質(zhì)量濃度變化情況如圖4所示。

圖4 質(zhì)量濃度變化

分析圖4可知,隨著高度的增加,極值的位置逐漸向左移動(dòng),這一現(xiàn)象符合物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律:具有水平速度的物料在自由下落階段呈弧形下落,下降到一定高度時(shí)與溜槽傳送帶發(fā)生碰撞并出現(xiàn)反射現(xiàn)象,被彈起的物料擴(kuò)散范圍變大,質(zhì)量濃度增加,物料進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)輸階段后,質(zhì)量濃度基本保持不變。

2)壓力流場(chǎng)分析

當(dāng)輸送帶附近的空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),無(wú)流動(dòng)、靜止。此時(shí)壓力分布均勻,屬于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;當(dāng)輸送帶處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),附近的空氣受到物料運(yùn)動(dòng)的影響開(kāi)始流動(dòng),流場(chǎng)此時(shí)的壓力分布狀態(tài)也發(fā)生改變。壓力流場(chǎng)在輸送帶運(yùn)行狀態(tài)下的變化情況如圖5所示。

圖5 壓力、空氣流速分布情況

分析圖5可知,物料核心區(qū)域內(nèi)存在最大的空氣流速和最大的壓力值,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是物料與空氣在同一水平面內(nèi)具有相同運(yùn)動(dòng)方向,空氣發(fā)生運(yùn)動(dòng)的前提是物料流運(yùn)動(dòng),物料在擴(kuò)散時(shí),物料的運(yùn)動(dòng)速度與空氣的運(yùn)動(dòng)速度均不斷減小。分析壓力變化情況可知,壓力極大值不會(huì)出現(xiàn)在物料的初始下降階段,隨著物料下降高度的增加,極大值出現(xiàn)的概率增大。

3 優(yōu)化參數(shù)選取

通過(guò)上述分析結(jié)果可以選擇相關(guān)優(yōu)化參數(shù)如下:

1)卸料參數(shù)分析

用R′表示物料表面最高處對(duì)應(yīng)的曲率半徑參數(shù),其計(jì)算公式如下:

R′=R+εB+r1(1-cosσ)

(1)

式中:εB代表輸送帶厚度;R代表滾筒端部對(duì)應(yīng)的半徑;r1代表堆積狀態(tài)下的物料對(duì)應(yīng)的曲率半徑,σ由代表物料對(duì)應(yīng)的動(dòng)堆積角決定。

設(shè)v′代表物料表面最高處對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度,不同種類(lèi)物料的運(yùn)行速度v′不同,其表達(dá)式為

v′=vR′/(R+εB+jc)

(2)

(3)

設(shè)Rc=R+εB+jc代表物料質(zhì)心在原點(diǎn)為滾筒中心條件下的高度,設(shè)置L=v2/Tcg。利用L=v2/Rcg將物料的卸載分為重力式卸載和離心式卸載[7]。

在L≥1時(shí),物料表面最高處運(yùn)動(dòng)軌跡(x,y)如下:

(4)

式中χ代表傳送帶首端與x軸之間的夾角。

在L<1時(shí),運(yùn)動(dòng)軌跡(x,y)如下:

(5)

式中?代表半徑R與y軸的夾角。

2)物料與溜槽、擋板的撞擊分析

通過(guò)軌跡分析物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,與溜槽或擋板的撞擊,假設(shè)發(fā)生撞擊后,物料不存在彈跳現(xiàn)象,此時(shí):

(6)

式中:v2代表與溜槽面接觸后,物料運(yùn)動(dòng)的速度;v1代表與溜槽面接觸前,物料運(yùn)動(dòng)的速度;α由代表的物料入射角參數(shù)決定;ζ1代表?yè)醢迮c物料之間的摩擦角參數(shù)。

3)滑行設(shè)計(jì)參數(shù)分析

以物料微元dm為例,物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中撞擊半徑為r的擋板后,以速度v3沿?fù)醢遄鲭x心運(yùn)動(dòng),此時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程如下:

(7)

式中:M代表受擋板支持力;t代表l與x軸之間的夾角。

4 裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述分析,對(duì)裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)展開(kāi)優(yōu)化。

1)物料對(duì)應(yīng)的動(dòng)堆積角參數(shù):物料從高處落下沖擊溜槽壁時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵,因此,需要減小物料下降過(guò)程中對(duì)溜槽壁的沖擊角度和沖擊力,從而降低粉塵平均質(zhì)量濃度。設(shè)置物料對(duì)應(yīng)的動(dòng)堆積角參數(shù)在15°～20°,以此降低粉塵的質(zhì)量濃度。

2)流線(xiàn)控制參數(shù):在較高運(yùn)動(dòng)速度下,物料會(huì)發(fā)生磨損;在較低運(yùn)動(dòng)速度下,物料會(huì)粘附在溜槽中,造成溜槽堵塞,根據(jù)上述分析,將物料流線(xiàn)控制參數(shù)控制在5～10m/s。

3)物料入射角參數(shù):根據(jù)溜槽內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)速度以及輸送帶的輸送能力,通過(guò)橫截面積S表示物料入射角參數(shù):

(8)

式中:W代表輸送帶傳送的物料總量;ρ代表物料在溜槽中的堆積密度。

設(shè)置過(guò)流系數(shù)C,其計(jì)算公式如下:

(9)

式中S1代表溜槽截面積。S、S1關(guān)系如圖6所示。

圖6 S、S1之間的關(guān)系

C取2.5～4。

4)擋板與物料之間的摩擦角參數(shù):在重力的作用下,物料通常聚集在溜槽底板,物料運(yùn)輸?shù)搅锊巯掠螘r(shí)的截面形狀與溜槽截面形狀類(lèi)似。因此,為了避免運(yùn)輸皮帶受物料不居中的影響,造成皮帶偏移的現(xiàn)象,需要控制溜槽皮帶與物料擋板摩擦角參數(shù),并且可以控制物料與溜槽內(nèi)運(yùn)輸皮帶的速度相近,以此降低溜槽的能耗,提高溜槽的運(yùn)行效率。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證基于CFD-DEM耦合的裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法的有效性,需要展開(kāi)相關(guān)測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中,引入文獻(xiàn)[2] 方法和文獻(xiàn)[3] 方法作為對(duì)比方法。通過(guò)優(yōu)化前后溜槽中物料的分布情況以及粉塵濃度測(cè)試上述方法的優(yōu)化效果。實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象設(shè)備如圖7所示,其參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象設(shè)備參數(shù)

圖7 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象

5.2 性能分析

1)物料質(zhì)量分布

為了精準(zhǔn)地分析物料在溜槽中的分布情況,以中心線(xiàn)為基準(zhǔn),將溜槽分為左右兩個(gè)部分,裝車(chē)站溜槽優(yōu)化前的物料質(zhì)量分布情況如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前溜槽中物料的分布情況

現(xiàn)采用基于CFD-DEM耦合的裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法對(duì)溜槽參數(shù)展開(kāi)優(yōu)化,優(yōu)化后溜槽中的物料分布情況如圖9所示。

圖9 不同方法優(yōu)化后溜槽中物料的分布情況

分析圖8和圖9可知,在優(yōu)化前,溜槽左右兩側(cè)的物料質(zhì)量不均勻,左側(cè)物料質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于右側(cè)物料質(zhì)量。在應(yīng)用所提方法后,溜槽中物料的分布情況得到了改善,使溜槽右側(cè)的物料質(zhì)量得到了提高,降低了左側(cè)物料質(zhì)量,將溜槽左右兩側(cè)物料質(zhì)量均勻分布在600kg;而文獻(xiàn)方法在應(yīng)用后,溜槽左右兩側(cè)物料之質(zhì)量分布程度有一定的提升,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到均勻分布的程度,其中文獻(xiàn)[3] 方法較好,但是左側(cè)物料質(zhì)量仍在670kg左右,右側(cè)物料質(zhì)量仍在500kg左右。對(duì)比應(yīng)用3種方法和優(yōu)化前的物料質(zhì)量分布情況可知,本文所提方法的物料質(zhì)量分布最均勻。因此,該方法有效提升了物料質(zhì)量分布效果。

2)粉塵濃度

優(yōu)化前后的粉塵濃度如表3所示。

表3 優(yōu)化前后防塵罩內(nèi)的粉塵平均質(zhì)量 單位:mg/m3

通過(guò)上述測(cè)試可知,采用所提方法對(duì)裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后,物料在溜槽內(nèi)分布均勻,且降低了物料運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度,所提方法的粉塵平均質(zhì)量濃度降低到了912mg/m3,而優(yōu)化前、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的粉塵平均質(zhì)量濃度分別為1536mg/m3、1254mg/m3、1326mg/m3。3種方法應(yīng)用后,與優(yōu)化前相比,粉塵平均質(zhì)量濃度均得到了降低,而所提方法的降低程度最大。因此,所提方法有效降低了粉塵平均質(zhì)量濃度。因?yàn)樗岱椒ㄔ谘b車(chē)站溜槽優(yōu)化設(shè)計(jì)中將物料質(zhì)心與溜槽質(zhì)心控制一致,以此保證物料分布均勻,并且通過(guò)降低物料的沖擊力量和角度,降低物料沖擊溜槽壁產(chǎn)生的粉塵。通過(guò)上述測(cè)試驗(yàn)證了所提方法的有效性。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前裝車(chē)站溜槽存在的物料質(zhì)量分布不均等問(wèn)題,提出基于CFD-DEM耦合的裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法,在溜槽有限元模型的基礎(chǔ)上分析其運(yùn)動(dòng)特性,根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化裝車(chē)站溜槽設(shè)計(jì)參數(shù),以此提高了物料在溜槽中分布的均勻性,降低了物料運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵,助力快速裝車(chē)系統(tǒng)的發(fā)展。