雙側壁卸料筒倉動態壓力及流態的數值模擬研究

姜學佳 原方 張健 龐照昆

摘 要：本文利用三維顆粒流軟件PFC3D研究筒壁雙側卸料方式下高徑比不同（1.1和2.2）的筒倉的靜態壓力值和動態壓力值以及流態。結果表明：筒壁雙側卸料時，淺倉倉壁處受到的動態側壓力變化相對于深倉而言較為緩和，且超壓系數相對較小，安全性較好，模擬貯料流態與實驗吻合較好。

關鍵詞：雙側壁卸料筒倉；超壓系數；PFC3D

中圖分類號：TU249 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著糧食產量的增加，人們對筒倉需求也愈來愈大。筒倉構筑物有多種卸料方式，其中以傳統的中心卸料、普通側壁卸料最為常見。側壁卸料系統即筒倉糧食依靠貯料自重通過側壁卸料口進行部分卸料。側壁卸料尤其是雙側壁卸料可以提高裝卸效率，減少輸送設備磨損，節約能源。賈秀琴[1]對這種卸料方式的筒倉進行了簡單分析，說明了使用側壁卸料系統的優越性。

離散元方法用于研究筒倉的卸料問題具有明顯的優勢。丁盛威[2]、肖昭然[3]曾用PFC3D軟件對糧倉的側壓力進行了數值分析，并嘗試改變倉體的幾何參數及物理參數以觀測參數與側壓力的關系。原方[4]等用PFC3D軟件分析了破碎和完好糧食在入倉時的分級問題，得到了一些較有建設性的結論。

本文采用PFC3D研究分析高徑比不同的筒倉在雙側壁卸料的方式下，倉內散體物料流態、水平側壓力和超壓系數分布及變化規律，探討這種卸料方式更適宜于深倉還是淺倉，為筒倉設計者提供理論依據。

1 PFC3D模型筒倉建立

深倉數值模型以美國GSI公司設計的帶流槽側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，兩側壁分別設0.06m×0.085m（寬×高）的長方形卸料口，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某項目所采用的筒壁雙側卸料筒倉為原型，具體模型尺寸為：倉高1.1m，直徑1m，兩側壁分別設0.12m×0.085m（寬×高）的長方形卸料口，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）來實現，WALL（墻）不僅能生成約束邊界墻，還可以作為傳感器來測試墻體所處位置的倉壁側壓力。本文中的兩個模型倉的測墻布置方案相同，均布置了三列測墻，分別為圖3中所示的在出料口兩側的1列、12列測墻以及與出料口成90°的17列測墻。

2 數值模型的參數標定

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，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狀態。通過參考多篇文獻和反復調試模型的各種參數，最后選擇的參數見表1。此刻，模型倉測出來的靜態壓力值比較接近理論值和試驗值。

3 模型倉的PFC3D數值模擬

3.1 模型倉的靜態PFC3D模擬

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

3.2 模型倉的動態PFC3D模擬

待記錄完靜態側壓力后，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壓力變化的動態數據。定義超壓系數為最大動態側壓力值與靜態側壓力值的比值。把深倉和淺倉各列不同深度測點的超壓系數進行對比，結果如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，深倉的超壓系數大部分遠遠大于對應淺倉各測點處的超壓系數。筒倉卸料時，各測點都有超壓現象產生，淺倉的超壓系數大多為1.05～1.2，最大超壓系數為1.51，位置處于12列0.2m深度處，深倉的超壓系數大多為1.3～1.5，最大超壓系數為1.58，位置處于12列0.4m深度處。

4 筒壁雙側卸料流態的PFC3D數值模擬

圖10為模擬與試驗卸料對比圖，3組照片分別選自卸料初期、管狀穩定流動期和卸料末期3個階段。對比試驗拍攝的流態，在開始卸料時，卸料口附近物料先流出，物料密度降低。隨著卸料時步的增大，倉內上部貯料以整體流動方式逐級降低，且持續時間較長。在0.35～0.5m高度處，即程序運行至3 100 000時步時，開始出現卸料漏斗，顆粒流動通道漫延至物料表面，進入管狀流動方式。當顆粒循環到6 200 000時步時，顆粒出現死料區，不再向外流出。通過將模擬流態與試驗過程中拍攝的照片進行對比可以發現，流動方式基本吻合。

5 結論

本文通過顆粒流軟件PFC3D對高徑比不同（1.1和2.2）的兩種筒倉的動態壓力和貯料流態進行模擬，并與試驗值進行對比分析，得出以下結論。

①高徑比不同的兩種筒倉在筒壁雙側卸料時，均產生了超壓現象，淺倉倉壁處受到的動態側壓力變化相對于深倉來說較為緩和，且超壓系數相對較小，具有較高的安全性。

②模擬貯料流態和試驗吻合較好，筒壁雙側卸料能改良貯料流態，在卸料時，減少貯料的整體流動，提升了筒倉的安全性能。

③如果在雙側壁卸料筒倉中加入改流體，應該會進一步改善貯料流態，減少卸料時動態超壓現象，具體結論仍需要進一步的試驗論證。

參考文獻：

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

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

[3]肖昭然，王軍，何迎春.筒倉側壓力的離散元數值模擬[J].河南工業大學學報（自然科學版），2006（2）：10-12，16.

[4]原方，龐焜，董承英，徐志軍.帶流槽側壁卸料動態超壓及流態的PFC～（3D）數值模擬[J].工程力學，2016（S1）：301-305.

[5]中華人民共和國建設部.鋼筋混凝土筒倉設計規范：GB 50077—2003[S].北京：中國計劃出版社，2003.