轉筒干燥器抄板的數值模擬

韓祺祺

中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250101

轉筒干燥器抄板的數值模擬

韓祺祺*

中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250101

采用離散單元法研究轉筒干燥器抄板形式及轉筒轉速對顆粒混合程度的影響。抄板形式和轉筒干燥器轉速在不同程度上影響顆粒的混合。相同轉速下，轉筒干燥器內設組合抄板時混合較優。

轉筒干燥器 離散單元法 抄板

轉筒干燥器主體為略帶傾斜或水平的并能周期旋轉的圓筒。濕顆粒物料在其一端加入，與通過轉筒內的高溫氣體或熱壁面有效地接觸，從而使顆粒干燥。轉筒干燥器是一種既受高溫加熱干燥物料又兼輸送的設備，且其因運轉可靠、操作彈性大，廣泛應用在化工、食品、建材、冶金等行業。抄板是轉筒干燥器的重要部件，其作用是將物料抄起來并使顆粒物料均勻地散布在整個筒體內。抄板將物料撒向熱氣流中，使熱氣流與物料充分接觸，強化物料與熱氣流的熱質交換，促進干燥過程的進行。抄板的形式及數量直接影響轉筒干燥器的熱效率和干燥強度。

近年來，離散單元法廣泛地應用于顆粒運動的研究。該方法分析單顆粒的受力，并跟蹤每個顆粒的運動軌跡，進而可以獲得顆粒的運動信息。目前，文獻中對轉筒干燥器中顆粒混合特性的研究相對較少，而工業應用中需要獲得轉筒內部物料顆粒的分布情況和運動軌跡等，用于指導轉筒干燥器的優化設計，改進提高干燥器性能。

本文采用離散單元法，對轉筒干燥器內顆粒的運動過程進行數值模擬。計算中考慮了轉筒內的每一個顆粒，并考慮每個顆粒的重力、顆粒間的碰撞力和摩擦力，建立數學模型；著重探討滾筒轉速、內部抄板形式這些關鍵參數對滾筒中顆粒混合的影響。

1 物理模型及求解

對于顆粒在轉筒內運動，采用工程矢量力學、彈性力學及材料力學對轉筒中的每個顆粒進行受力分析，考慮了顆粒間的碰撞力，顆粒與轉筒壁、抄板的接觸力，顆粒自身重力。在合力的作用下，某些顆粒會受到矩的作用而發生轉動，比如當兩個顆粒發生偏心碰撞，顆粒與轉動的滾筒壁接觸等情況。

1.1 顆粒間的碰撞

對于顆粒間相互作用的碰撞過程，采用Cundall和Strack[1]提出的離散單元法模型(DEM)。目前DEM在工業領域的應用逐漸成熟。這種方法能夠獲得所有顆粒的在任意時刻的位置、速度等信息，此方法已成為研究顆粒流動的重要工具。在DEM中，顆粒間的相互作用通過圖1的力學系統[2]來模擬，接觸力分解為彈性力和阻尼力。

圖1 兩顆粒接觸力模型

設顆粒j作用于顆粒i上接觸力的法向分量為fn,ij。則fn,ij為彈性力與阻尼力在法向上的投影和，即

fn,ij=κnδnnij+ηnvn,ij

式中， δn為法向力產生的顆粒位移；κn和ηn分別為法向上的剛性系數和阻尼系數；vn,ij為顆粒i相對于顆粒j在法向上的相對速度。

根據庫侖摩擦定律，顆粒j作用于顆粒i上接觸力的切向分量[3]：

式中，δt為切向力產生的顆粒位移；κt和ηt分別為切向上的剛性系數和阻尼系數；vt,ij為接觸點在切向的相對速度，即滑移速度；μ為摩擦系數。

同一瞬時，顆粒i可能與多個顆粒發生碰撞。所以，作用于顆粒i上總的接觸力與總的轉矩：

1.2 顆粒與轉筒壁碰撞

當顆粒質心距轉筒壁的垂直距離小于顆粒半徑時，則顆粒與轉筒壁發生碰撞。碰撞時，將轉筒邊壁視為一個大“顆粒”, 此“顆粒”的速度為轉筒壁的線速度v=ω·r，轉動慣量為零。

1.3 顆粒與抄板碰撞

當顆粒質心距抄板的垂直距離小于顆粒半徑時, 則顆粒與抄板發生碰撞。碰撞時，將抄板壁視為一個大“顆粒”, 此“顆粒”的速度為顆粒與抄板壁接觸點的線速度v=ωr，轉動慣量為零。

1.4 顆粒的運動

在任何時刻顆粒的運動方程可表示：

式中，kc為同一瞬時與顆粒i接觸的顆粒數。

1.5 模型求解

本文采用LIGGGHTS?軟件[4]進行模型求解。LIGGGHTS(LAMMPSImprovedforGeneralGranularandGranularHeatTransferSimulations)是一款開源的離散元方法的粒子模擬軟件，主要應用于顆粒運動和顆粒傳熱模擬。 該軟件基于分子動力學模擬軟件LAMMPS開發，由于顆粒運動與分子運動的物理模型和算法類似，LAMMPS可以作為模擬顆粒運動的一個很好的平臺。LIGGGHTS繼承了LAMMPS模擬顆粒的所有功能，如編碼結構的易讀性，靈活的腳本語言，高效的并行計算等。同時，LIGGGHTS還可以從CAD導入和處理復雜的幾何模型，對于移動的幾何體可以采用動態網格等，其功能與EDEM具有一定相似性。

2 模擬計算及結果分析

2.1 模擬計算條件

表1給出了本文的數值計算條件。

表1 數值計算參數

2.2 抄板形式及轉筒轉速對混合效果的影響

抄板形式分別采用直角抄板和直抄板。抄板隨轉筒干燥器逆時針旋轉，轉筒旋轉角速度分別為0.75r/s、0.5r/s、0.25r/s。抄板形式見圖2，模擬計算結果見圖3、4。

圖2 抄板形式

圖3 不同轉速下直角抄板對顆粒分布的影響

由圖3可見，顆粒顏色表示顆粒的速度值。顆粒拋落后，在重力作用下做加速運動，落在轉筒上的速度約為2.2m/s。轉筒干燥器采用直角抄板，由于直角擋板的阻擋，物料在前半周時拋落較少。當轉筒旋轉半周后，大部分物料開始拋落，故物料主要分布于轉筒左側空間。物料顆粒成束狀拋下，顆粒分布較為集中。由于物料主要在轉筒左側拋落，而熱空氣主要從轉筒中間及右側的“風洞”通過，降低了物料與熱空氣的接觸面積及接觸時間，使干燥器處于低效的工作狀態。轉筒轉速增加，顆粒分布更加集中于轉筒左側，分布效果變差。所以，直角抄板較適合轉筒轉速低的情況。

圖4 不同轉速下直抄板對顆粒分布的影響

由圖4可見，轉筒干燥器設直抄板時，由于缺少直角擋板的阻擋，物料抄起后很快便拋落，使物料分布在轉筒右側空間。同樣，物料顆粒成束狀拋下，顆粒與熱空氣的接觸面積較小，干燥器效率較低。轉筒轉速增加，顆粒的切向線速度增加，顆粒從抄板拋落后靠轉筒中間分布。但隨著轉速增加，顆粒分布變得更加集中，顆粒成團拋落，減少了顆粒與熱空氣的接觸面積。

2.3 抄板形式優化設計

為使物料在干燥器筒體內形成良好、穩定的料幕，提高物料在筒體截面上的分散度，增加物料與熱空氣的接觸面積，使干燥器處于高效傳熱狀態，筆者設計了組合型抄板，見圖5。組合型抄板采用直抄板與135°彎抄板組合，抄板與筒體焊接固定。

圖5 組合型抄板形式

不同轉速下組合型抄板對顆粒分布的影響見圖6。

圖6 不同轉速下組合型抄板對顆粒分布的影響

從圖6可見，采用組合型抄板，顆粒在轉筒橫截面分布較均勻，混合效果較好。當轉筒轉速較低時，顆粒主要分布在轉筒右側；隨著轉速增加，顆粒在整個轉筒橫截面內均勻分布；繼續增加轉速，顆粒趨向于成團拋落，顆粒分布效果變差。顆粒在轉筒內分布均勻的主要原因是不同形式的抄板“抄起-拋落”顆粒的周期不同。直抄板抄起的顆粒首先拋落，顆粒集中在轉筒右側；彎抄板抄起的顆粒拋落時間較晚，顆粒集中在轉筒左側。顆粒在不同時間拋落，使得顆粒在筒體內分布較為均勻。

3 結語

(1)采用離散單元法對轉筒干燥器內顆粒的混合進行了數值研究。

(2)轉筒轉速及抄板形式對轉筒干燥器中顆粒的分布均有重要影響。在不同轉速下，采用組合型抄板時，顆粒在轉筒內的混合效果均較好。

(3)為優化設計轉筒干燥器，需要綜合考慮抄板形式及轉筒轉速來實現轉筒干燥器內顆粒的較優混合。本結果為轉筒干燥器結構參數的設計優化提供參考。

1PeterACundall,OttoDLStrack.Adiscretenumericalmodelforgranularassemblies[J].eotechnique, 1979, 29(1): 47-65.

2 Clayton T Crowe, John D Schwarzkopf, Martin Sommerfeld, Yutaka Tsuji. Multiphase flows with droplets and particles[M]: CRC press, 2011.

3 N. G. Deen, M. Van Sint Annaland, M. A. Van der Hoef, J. A. M. Kuipers. Review of discrete particle modeling of fluidized beds[J].ChemicalEngineeringScience, 2007, 62(1): 28-44.

4 C. Kloss, C. Goniva, A. Hager, S. Amberger, S. Pirker. Models, algorithms and validation for opensource DEM and CFD-DEM[J].ProgressinComputationalFluidDynamics, an International Journal, 2012, 12(2): 140-152.

2017-02-23)

*韓祺祺：助理工程師。2014年畢業于天津大學化工學院化學工程專業獲碩士學位。從事化工工藝設計工作。 聯系電話：(0531)55656254，E-mail：hanqiqi_@126.com。