基于CFD-DEM耦合的裝車站溜槽設計參數優化

陳淑云,左迎光

(國電建投內蒙古能源有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

高自動化是定量裝車系統未來發展的方向,快速定量裝車可以減少裝卸物料所需的時間,提高工作效率。定量裝車系統由多種機械設備構成,包括散料裝車溜槽、緩沖倉、鋼結構支撐塔架和稱重倉等。帶式傳輸機[1]將待裝物料運輸到快裝系統后,會在封閉的環境中緩存并稱重物料,之后利用裝車溜槽將定重物料運輸到車廂中。優化裝車站溜槽設計的相關參數,可以提高溜槽內物料的分布均勻性,同時降低物料裝車所需的時間。但是現階段裝車站設計溜槽裝車后的物料質量分布不均勻,并且粉塵質量濃度較高,針對該問題,相關學者進行了研究。

沈佳興等[2]采用ANSYS Workbench軟件根據參數優化理論優化設計溜槽參數,并對優化后溜槽的聲學性能、諧響應性和抗沖擊性能展開驗證。但是該方法在實際應用后其粉塵質量濃度較高。葉方平等[3]結合Archard磨損模型和Herz-Mindlin無滑動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力、應變之間的變化情況,根據分析結果對溜槽展開優化。但是該方法存在物料質量分布不均勻的問題。

在上述方法的基礎上,為解決其存在的問題,提出基于CFD-DEM耦合的裝車站溜槽設計參數優化方法。

1 基于CFD-DEM耦合的有限元模型建立

裝車站系統的工作流程為:將車廂移動到指定位置,控制設計裝車系統打開倉閘門,物料通過設計溜槽運輸到下方的車廂內,如圖1所示。

有限元模型設計如下。

1)設計溜槽建模,利用Pro/E三維設計軟件設計裝車站溜槽模型,將溜槽模型轉變為IGES格式,以此滿足CFD求解工具的求解要求[4]。

2)CFD仿真參數與邊界條件。

裝車站溜槽設計參數優化方法通過Fluent完成物料下落過程的模擬:

a)裝車站溜槽設計參數選用RNG-K模型作為湍流模型;

b)設置溜槽進口為速度進口,與進口界面之間為垂直關系,設置風速為0,湍流強度設置為5%,將風量出口設置為壓力出口;

c)耦合結果可通過SIMFLLC算法和壓力基求解器共同計算得到,同時通過QUICK計算壓力,在此基礎上,采用CFD完成流速梯度的耦合;

d)將上述設置的參數與EDEM耦合。

3) 通過下述過程設置EDEM邊界條件和物理參數[5-6]:

a)確定物料顆粒模型、車輛模型和溜槽模型的相關參數,可將參數分為以下兩類:第一類碰撞特性參數:滾動摩擦因數、靜摩擦因數、物料間作用系數和補償系數等;第二類物料運動特性參數:剪切模量、泊松比和密度等。

在EDEM中設置上述參數,根據車廂板和溜槽的材料屬性,完成剪切模量、泊松比和摩擦因數等參數的設置,在溜槽艙內根據物料特征通過離散源程序設定物料以及其分布規律、物性參數和粒徑大小。

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

c)將“y向”作為重力系數方向,創建新的物料材料,記為“Coal”,將溜槽和車廂壁板的材料記為“Steel”。兩種材料的屬性見表1。

表1 材料屬性

2 物料運動過程分析

1)顆粒運動分析

物料在裝車站溜槽內的運動分為以下3個階段:第1階段為弧形下落;第2階段為碰撞反射;第3階段為穩定運輸。

在y=300mm的zx平面中,選取0.1m、0.3m和0.9m 這3個高度的數據,分析靜止空氣中物料的運動規律。所設計的最優參數溜槽模型,結果如圖2所示。

圖2 溜槽最優模型設計

根據設計的溜槽,記錄不同高度下物料的平均運動速度變化情況如圖3所示。

圖3 速度分布

由圖3可知,物料在下降過程中出現2個速度極大值。首個速度極大值出現在羽流核心區域,在卷吸空氣的影響下物料發生擴散運動,方向為四周,物料在擴散過程中的運動速度與擴散范圍直徑之間呈反比;第2個速度極大值出現在物料第1次與溜槽發生碰撞時的核心區域。不同高度下,物料的質量濃度變化情況如圖4所示。

圖4 質量濃度變化

分析圖4可知,隨著高度的增加,極值的位置逐漸向左移動,這一現象符合物料的運動規律:具有水平速度的物料在自由下落階段呈弧形下落,下降到一定高度時與溜槽傳送帶發生碰撞并出現反射現象,被彈起的物料擴散范圍變大,質量濃度增加,物料進入穩定運輸階段后,質量濃度基本保持不變。

2)壓力流場分析

當輸送帶附近的空氣處于靜止狀態時,無流動、靜止。此時壓力分布均勻,屬于標準大氣壓;當輸送帶處于運動狀態時,附近的空氣受到物料運動的影響開始流動,流場此時的壓力分布狀態也發生改變。壓力流場在輸送帶運行狀態下的變化情況如圖5所示。

圖5 壓力、空氣流速分布情況

分析圖5可知,物料核心區域內存在最大的空氣流速和最大的壓力值,出現這種現象的主要原因是物料與空氣在同一水平面內具有相同運動方向,空氣發生運動的前提是物料流運動,物料在擴散時,物料的運動速度與空氣的運動速度均不斷減小。分析壓力變化情況可知,壓力極大值不會出現在物料的初始下降階段,隨著物料下降高度的增加,極大值出現的概率增大。

3 優化參數選取

通過上述分析結果可以選擇相關優化參數如下:

1)卸料參數分析

用R′表示物料表面最高處對應的曲率半徑參數,其計算公式如下:

R′=R+εB+r1(1-cosσ)

(1)

式中:εB代表輸送帶厚度;R代表滾筒端部對應的半徑;r1代表堆積狀態下的物料對應的曲率半徑,σ由代表物料對應的動堆積角決定。

設v′代表物料表面最高處對應的運行速度,不同種類物料的運行速度v′不同,其表達式為

v′=vR′/(R+εB+jc)

(2)

(3)

設Rc=R+εB+jc代表物料質心在原點為滾筒中心條件下的高度,設置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,物料表面最高處運動軌跡(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,運動軌跡(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

通過軌跡分析物料在運動過程中,與溜槽或擋板的撞擊,假設發生撞擊后,物料不存在彈跳現象,此時:

(6)

式中:v2代表與溜槽面接觸后,物料運動的速度;v1代表與溜槽面接觸前,物料運動的速度;α由代表的物料入射角參數決定;ζ1代表擋板與物料之間的摩擦角參數。

3)滑行設計參數分析

以物料微元dm為例,物料在運動過程中撞擊半徑為r的擋板后,以速度v3沿擋板做離心運動,此時的動力學方程如下:

(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 裝車站溜槽設計參數優化

根據上述分析,對裝車站溜槽設計參數展開優化。

1)物料對應的動堆積角參數:物料從高處落下沖擊溜槽壁時產生大量的粉塵,因此,需要減小物料下降過程中對溜槽壁的沖擊角度和沖擊力,從而降低粉塵平均質量濃度。設置物料對應的動堆積角參數在15°～20°,以此降低粉塵的質量濃度。

2)流線控制參數:在較高運動速度下,物料會發生磨損;在較低運動速度下,物料會粘附在溜槽中,造成溜槽堵塞,根據上述分析,將物料流線控制參數控制在5～10m/s。

3)物料入射角參數:根據溜槽內物料的運動速度以及輸送帶的輸送能力,通過橫截面積S表示物料入射角參數:

(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。

設置過流系數C,其計算公式如下:

(9)

式中S1代表溜槽截面積。S、S1關系如圖6所示。

圖6 S、S1之間的關系

C取2.5～4。

4)擋板與物料之間的摩擦角參數:在重力的作用下,物料通常聚集在溜槽底板,物料運輸到溜槽下游時的截面形狀與溜槽截面形狀類似。因此,為了避免運輸皮帶受物料不居中的影響,造成皮帶偏移的現象,需要控制溜槽皮帶與物料擋板摩擦角參數,并且可以控制物料與溜槽內運輸皮帶的速度相近,以此降低溜槽的能耗,提高溜槽的運行效率。

5 實驗與分析

5.1 實驗準備

為驗證基于CFD-DEM耦合的裝車站溜槽設計參數優化方法的有效性,需要展開相關測試。在測試過程中,引入文獻[2] 方法和文獻[3] 方法作為對比方法。通過優化前后溜槽中物料的分布情況以及粉塵濃度測試上述方法的優化效果。實驗研究對象設備如圖7所示,其參數如表2所示。

表2 實驗研究對象設備參數

圖7 實驗研究對象

5.2 性能分析

1)物料質量分布

為了精準地分析物料在溜槽中的分布情況,以中心線為基準,將溜槽分為左右兩個部分,裝車站溜槽優化前的物料質量分布情況如圖8所示。

圖8 優化前溜槽中物料的分布情況

現采用基于CFD-DEM耦合的裝車站溜槽設計參數優化方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法對溜槽參數展開優化,優化后溜槽中的物料分布情況如圖9所示。

圖9 不同方法優化后溜槽中物料的分布情況

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

2)粉塵濃度

優化前后的粉塵濃度如表3所示。

表3 優化前后防塵罩內的粉塵平均質量 單位:mg/m3

通過上述測試可知,采用所提方法對裝車站溜槽設計參數優化后,物料在溜槽內分布均勻,且降低了物料運輸過程中產生的粉塵質量濃度,所提方法的粉塵平均質量濃度降低到了912mg/m3,而優化前、文獻[2]方法和文獻[3]方法的粉塵平均質量濃度分別為1536mg/m3、1254mg/m3、1326mg/m3。3種方法應用后,與優化前相比,粉塵平均質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量濃度。因為所提方法在裝車站溜槽優化設計中將物料質心與溜槽質心控制一致,以此保證物料分布均勻,并且通過降低物料的沖擊力量和角度,降低物料沖擊溜槽壁產生的粉塵。通過上述測試驗證了所提方法的有效性。

6 結語

針對目前裝車站溜槽存在的物料質量分布不均等問題,提出基于CFD-DEM耦合的裝車站溜槽設計參數優化方法,在溜槽有限元模型的基礎上分析其運動特性,根據分析結果優化裝車站溜槽設計參數,以此提高了物料在溜槽中分布的均勻性,降低了物料運輸過程中產生的粉塵,助力快速裝車系統的發展。