基于EDEM-Fluent耦合方法的負壓篩分堵塞分析

馬衛國，李晨，聶玲

長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023

鉆井液是鉆井作業中的循環介質，主要作用于清洗井筒、平衡地層壓力、穩定井壁、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，維護鉆井液的性能。傳統的鉆井液固相處理設備主要有振動篩、除砂器、除泥器、離心機等，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境的沖擊。近年來，國內外基于負壓過濾原理提出了一種新型的負壓篩分系統，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揮發物和侵入的氣體，分離效率高、液相回收充分、更加環保[1,2]。不同于常規振動篩，負壓篩分系統是基于真空形成的壓差和氣流脫附原理實現固液分離，為了提高處理效率可以伴隨高頻低幅振動。然而，負壓篩分系統在實際使用過程中易出現篩網堵塞，增加真空壓差，減少氣流量，降低篩分效率。

近年來，離散元方法和計算流體力學廣泛應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動學參數；李成[4]采用EDEM軟件分析了振動篩的運動參數、顆粒物料屬性、給料速率等因素對振動篩篩分過程篩網堵塞的影響；胡書闖等[5]采用EDEM軟件建立了振動篩的運動軌跡模型，分析了運動軌跡對堵塞的影響規律；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律；喻黎明等[7]基于CFD-DEM耦合方法模擬不同流量下Y型網式過濾器內部不同粒徑的沙粒運動及分布，并結合試驗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壓振動篩顆粒的運動規律；CHENZEMAN[9]采用EDEM-Fluent耦合方法研究了氣流速率和風向角對顆粒分離效率的影響。綜上，EDEM軟件被廣泛應用于顆粒物的運動和動力學分析，耦合Fleunt軟件分析顆粒物在流體流動場中的運動和力學問題，能夠很好地適應過濾、篩分等氣固、液固分離的內部流場分析和參數設計。

然而，篩分、過濾過程中，濾網的堵塞是常見的問題，也是影響篩分、過濾性能的重要因素。當前成果主要基于篩網運動條件下的篩分性能和顆粒堵塞篩網研究，真空過濾是基于負壓產生的壓差和氣流脫附原理實現固液分離，濾網在過濾過程中處于相對靜止。因此，研究負壓條件下濾網的堵塞行為及其對過濾壓差和氣流量的影響規律，對于揭示真空過濾機理有較好的參考價值。為此，筆者基于EDEM-Fluent耦合方法，研究了負壓篩分過程中篩網堵塞規律及其影響因素，旨在為提高負壓篩分系統的工作穩定性及處理效率提供理論指導。

1 數學模型

1.1 模型假設

模型離散假設條件如下[10]：

1)顆粒系統的變形是系統中所有顆粒點變形的總和；

2)顆粒之間的接觸發生在很小的區域內，即點接觸；

3)顆粒之間接觸特性為軟接觸，顆粒在接觸點處允許發生一定數量的重疊，顆粒之間的重疊量與顆粒尺寸相比很小；

4)在每個時間步內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]，顆粒間力的傳遞計算通過下述模型計算得出。

假設半徑分別為R1、R2的2個球形顆粒發生彈性接觸，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格模型Fig.2 3D model and grid model of material handling barrel

切向力與摩擦力μsFn有關，μs為靜摩擦系數。動摩擦系數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，1；R為質心到接觸點距離，mm;ωi為接觸點到物體的單位角速度，rad/s。

1.3 耦合計算模型

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

EDEM-Fluent進行耦合模擬時，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數，且只適用于局部固相體積分數小于10%的情況，其優勢是計算速度較快;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，主要包括質量、動量和能量的交換[8]。

因為計算中涉及到固相堆積，固相堆積過程中局部固相體積分數會超過10%，所以計算采用歐拉-歐拉方法將顆粒相處理為離散相。EDEM-Fluent耦合模型計算流程圖如圖1所示。

2 數值模擬及主要仿真參數設置

2.1 建立篩分模型

負壓篩分原理如下：物料從物料入口進入物料處理筒，物料處理筒底部出口連接負壓室，顆粒物料隨高速氣流進入物料處理筒，篩分初期氣體和粒徑小于篩網孔的顆粒通過篩網，粒徑大于篩網孔或接近篩網孔的顆粒中一部分會被篩網截留，并堆積成床，一部分顆粒可能逐漸堵塞網孔。負壓室導致篩網上、下產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、出口和負壓室組成。實際篩網過濾面積為0.03m2，考慮到計算機仿真計算能力模型簡化為只有物料入口、篩網和物料篩分筒的裝配體，并將模型尺寸縮小為1/200，簡化篩網為多孔流道結構[12]且篩網目數不變，即計算過濾面積為150mm2，選擇100目篩網，孔型為方形孔，孔尺寸a=0.15mm，其流體域網格模型如圖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，而且形狀各異無規律性。為簡化計算模型，這里針對易發生堵塞的顆粒進行模擬分析，文獻[13]已經證明了球形顆粒模擬篩分過程的可行性，這里假設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、隨機分布、正態分布、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律，因此采用不同顆粒粒徑混合配比，在指定粒徑范圍內隨機分布的方式建立3類顆粒模型，顆粒粒徑分布根據篩網孔徑按比例設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 固體顆粒和篩網的力學特性及接觸參數設置

顆粒參數可在EDEM軟件中的GEMM數據庫進行選擇，其各項物理參數如表2、3所示[8]。

表2 物料物理屬性

表3 材料間接觸屬性

2.4 仿真參數設置

負壓篩分過程是一個復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行系統描述，因此需要耦合端口結合不同仿真軟件對其進行仿真模擬。研究采用EDEM-Fluent耦合的方法對負壓篩分過程中顆粒運動及堵塞情況進行模擬分析，顆粒相采用EDEM2018版本計算，氣相采用Fluent19.0進行計算。在EDEM軟件中設置顆粒各項參數，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，工作環境為一個大氣壓。

對流體域網格劃分后，設置物料處理筒出口為速度出口，進口為大氣環境自由流入，出口為恒定流速流動，可以通過調節出口處氣流速度來控制篩分過程中的氣流量;由于2個軟件之間耦合計算需要相互傳遞數據，Fluent中時間步長設置必須是EDEM中時間步長的整數倍。EDEM中時間步長設置為2×10-6s，保存時間設置為0.005s，Fluent中時間步長設置為2×10-4s，迭代計算5000步，總計算時間為1s。

3 仿真結果與分析

基于EDEM-Fluent耦合方法進行模擬計算，得到不同參數條件下負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，計算在不同氣流量條件下顆粒運動、壓力分布、顆粒堆積及篩網堵塞規律。顆粒體積分數為0.4‰，顆粒混合配比為表1中比例1，當氣體流量為4.05L/min時流體域內壓力達到穩定時刻靜壓分布云圖如圖3所示，在顆粒堆積層和篩網形成的過濾床上下有明顯的壓力差。物料處理筒內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，通過篩網的顆粒逐漸減少，易透篩的顆粒也被顆粒床和篩網截留，存在堵塞現象。當改變氣流量時，氣流通過顆粒堆積層和篩網形成的過濾床所需的負壓隨氣流量的增大而增大，且在初始時間所需負壓較低，隨時間增長所需負壓快速增大，但逐步趨于穩定，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 顆粒堵塞篩網圖Fig.6 Particle blocking screen diagram

為了揭示篩網上顆粒堵塞篩孔的現象，提取了篩網表面顆粒堵塞篩網形式，如圖6所示。觀察表明，存在大量顆粒嵌入篩網網孔形成堵塞，且因為顆粒粒徑不同，顆粒嵌入篩網網孔的深度也不相同。

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

3.2 顆粒體積分數對篩分性能的影響

控制物料入口處顆粒體積分數，計算不同顆粒體積分數條件下氣流通過顆粒堆積層和篩網形成的過濾床所需的負壓及物料處理筒內顆粒堆積規律。顆粒混合比設置為表1中比例1，氣流量設置為4.05L/min，顆粒體積分數設置為氣流量的體積比。計算結果表明，隨著顆粒體積分數增加，物料處理筒內顆粒堆積量增加，且在不同顆粒體積分數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。從計算結果可以看出，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網孔，隨著時間的增長，顆粒逐漸增多，篩網網孔堵塞程度增加，穿過篩網網孔的顆粒逐漸減少，顆粒堆積增長速率隨時間的增長呈線性增加。另外，不同顆粒體積分數條件下，氣流通過顆粒堆積層和篩網形成的過濾床所需的負壓也有改變，其變化曲線如圖8所示。當顆粒體積分數較小時，氣流通過所需的負壓增加緩慢，在計算時長內沒有達到穩定，當顆粒體積分數增加到一定程度之后，顆粒體積分數對氣流通過所需的負壓影響不顯著，且在計算時長內達到穩定。

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種顆粒混合配比條件下通過顆粒堆積層和篩網形成的過濾床所需的負壓及物料處理筒內顆粒堆積規律。顆粒粒徑混合配比如表1所示，氣流量設置為4.05L/min，顆粒量為氣流量的0.4‰。不同顆粒混合比例條件下物料處理筒內流動所需負壓隨時間變化曲線如圖9所示，不同顆粒混合比例條件下顆粒堆積量隨時間變化如圖10所示。

如圖9所示，當易透篩的細小顆粒增加，不透篩顆粒減少時(如比例5)，氣流通過所需的負壓較小，且隨時間增長增加緩慢，當易透篩的細小顆粒減少，不透篩顆粒增加時，氣流通過所需的負壓較大，且顆粒粒徑混合配比對氣流通過所需的負壓影響不顯著，負壓增加的規律性強，在計算時長內能夠達到穩定。結果表明，當易透篩細小顆粒增加時，部分細小顆粒在氣流作用下穿過篩網網孔。圖10所示進一步表明，當易透篩細小顆粒增加時，顆粒堆積增長相對緩慢。

圖7 不同顆粒體積分數條件下堆積量隨時間變化曲線 圖8 不同顆粒體積分數條件下所需負壓隨時間變化曲線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 結論與建議

基于EDEM-Fluent耦合方法模擬了負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，并得出如下結論;

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

2)負壓作用下氣體通過顆粒堆積層和篩網形成的濾床產生的壓降在短時間內上升并達到穩定，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生的壓降影響不大，篩網堵塞是產生氣流壓降的主要因素。但是，在一定負壓條件下，氣流能夠通過顆粒堆積層和堵塞的篩網，即負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，需要更大的負壓，篩分設計需要及時將分離出的顆粒物輸送離開真空區。

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，需要在今后進行深入的研究。