用颗粒离散元法模拟筛分过程
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是考虑到模型筛分机的入筛物料量较少, 试验结果 容易获取且误差较小, 试验周期较短, 试验的重复
配如表 1 所示, 模拟用计算参数如表 2 所示.
表 1 入筛物料级配 Table 1 Size distribution of feed
粒度级/ mm
平均粒度/ mm 计算产率/ % 采用产率/ %
0~ 6
1 模拟试验及仿真系统
采用滑 动 阻尼 摩 擦 接触 模型 ( spring dash pot slide cont act mo del) 和 窗口法 建立了入筛物 料的动力模型并解决了离散元法特有的接触点识 别问题, 构建了图 1 所示的仿真系统[ 11] . 除了需要 模拟的物料粒度范围较宽外, 筛分作业的模拟同其 它形式颗粒流模拟实例的不同之处还在于: 1) 需 要构建带孔的壁面 筛面; 2) 筛面作往复的机械振 动并常具有一定的倾角. 因为是二维模拟程序, 物 料同筛分机两侧边框的碰撞接触可以忽略不计, 而 仅考虑物料同筛分机后挡板及筛面之间的接触碰 撞情况. 筛分机的 后挡板可以用平 直的器壁来表 示, 而筛条采用了和颗粒相同的二维盘元来表示,
Abstract: Base on t he basic principles of discret e element m et hod( DEM ) , A t w o dimensional DEM emulat or nam ed SieveDEM w as dev elo ped by a VC+ + . N ET . T he emulato r, consist ed of a f eed hopper, a screen and a pr oduct baf f le, can dy namically simulat e t he w hole screen pro cess. T he f eed size composit e, capacit y and the screen w o rking paramet ers all can be art ifi cial ly set up. Series digit al simulation ex perim ent s of m odel screen had been co nduct ed and three t ypical penet rat ing behaviors in screen pr ocess w ere recurred. T he part it ion curve pro duced by sim ulat ion is in goo d agreement w it h the t est dat a. According to the vect or resolut io n method, the m ot io n velocit y of mat erials w as divided int o a transport ing velocit y and penet rat ing velocit y. T he f luct uat ing phenomenon of t w o velocit ies w as r evealed by stat ist ical result s, w hich indicated t hat the DEM could reflect t he int rinsic mechanics o f screen. Key words: screen; discret e elem ent met hod; dig ital simulat io n
第2期
焦红光等: 用颗粒离 散元法模拟筛分过程
233
的用来计算散体介质系统力学行为的一种数值方 法, 其基本思想源于较早的分子动力学, 它把所研 究的散体离散为独立的" 单元", 相邻的单元之间存 在某种或几种作用力, 单元的运动受牛顿第二定律 的支配, 通过跟踪每个 单元 的微观运动可以得到 模拟对象的力学、热学、物理或化学的状态分布及 演化规律. 经过 30 余年的发展, 离散元法已在许多 散体物料处理领域得到了成功的应用[ 4 8] , 但应用 于筛分作业才刚刚起步. L i 等[ 9] 采用盘元分别模 拟了 3 和 5 mm ( 数量比为 1 1) , 2 和 8 mm( 数量 比为 9 1) 两种粒度的颗粒在筛孔孔径为 4 mm , 筛丝直径分别为 2 和 1 mm, 倾角为 30 的静止筛 面上的透筛行为; Cleary[ 10] 也在文献中提到采用球 元模拟了 8 000 个粒度为 10~ 80 mm 颗粒的筛分 行为, 相关文献体现出了离散元法应用于研究筛分 作业的灵活形和优越性. 本文根据离散元法的基本 原理和筛分作业的特点, 建立了针对筛分作业的离 散元计算模型和算法, 采用 VC+ + . Net 开发了批 处理筛分作业的二维离散元模拟程序 SieveDEM , 首次实现了包括给料在内的筛分作业全过程的动 态模拟.
离散元法( DEM ) 是 20 世纪 70 年代发展起来
收稿日期: 2006 08 25 基金项目: 国家自然科学基金重点项目( 90210035) ; 教育部科学技术研究重大项目( 306008) 作者简介: 焦红光( 1970 ) , 男, 安徽省亳州市人, 副教授, 博士, 从事矿物加工理论、工艺和设备方面的研究. E mail: hpujh g@ 126. com Tel: 13939101497
4
42. 49
40. 57
性也较好, 同时模拟需要的颗粒数量也不是很多, 模拟程序在 PC 上运行的时间可以承受. 模拟采用 的筛分机工作条件及入料级配均参照实际试验条
6~ 7 7~ 8 8~ 9 9~ 13
6. 5 7. 5 8. 5 10
6. 66 6. 13 5. 59 39. 13
8. 66 10. 26
图 1 模拟场景示 意图 Fig . 1 Schemat ic diag ram o f simulation scence
SieveDEM 的整个模拟系 统由一个给料 漏斗 和一台单层筛分机组成, 其中给料漏斗及筛分机的 规格尺寸( 给料漏斗的容量、给料闸门开启宽度、筛 面长度、筛框高度 等) 均可调, 筛分机的运动 方式 ( 园或直线) 、倾角、振幅、转速等工作参数, 包括筛 条的粗细、筛孔间距等指标也都可人为设定. 模拟 之前首先在给料漏斗上部区域内按一定的粒度组 成由系统自动生成规定数量的颗粒, 而后颗粒在自 身重力作用下自由沉降至闸门关闭的给料漏斗底 部, 待粒群达到稳定的堆积状态后, 即可用于进行 数值模拟试验( 如图 2) . 进行模拟时, 需要给筛分 机加载( 使筛分机在程序的控制下按设定的参数开 始工作) , 同时按系统设置的宽度开启给料漏斗的 闸门将其中的物料通过给料漏斗的下部出料溜槽 给到筛分机中当完成设定的循环数或给料漏斗中 的物料全部通过筛分机( 透筛或成为筛上物) 后模 拟结束.
接触刚度/ ( N m- 1) 接触情形 1 接触情形 2
摩擦系数 接触情形 1 接触情形 2
恢复系数 接触情形 1 接触情形 2
计算时步 保险系数
1. 5
30 000
50 000
0. 3
0. 3
0. 6
0. 5
0. 1
注:源自文库接触情形 1, 2 分别指颗粒间及颗粒同器壁之间的接触
2. 2 粒群在筛面上的运动与透筛 图 3 是模拟得到的筛分作业的进行图.
第 36 卷 第 2 期 2007 年 3 月
中国矿业大学学报
Jour nal of China U niversity o f M ining & T echno log y
Vo l. 36 N o. 2 M ar. 2007
文章编号: 1000 1964( 2007) 02 0232 05
用颗粒离散元法模拟筛分过程
筛分作业是为了产品销售目的或为了调节其 他过程的一种物料准备 工艺, 它广 泛地应用于矿 业、冶金、建材、食品、医药、化工、能源及环境等诸 多领域. 筛分作业的结果不仅对下一步作业的效率 有着重要影响, 而且对直接或间接产生的商品价值
有着很大的影响[ 1 3] . 物料在筛面上的运动状态具 有类似于流体的极为复杂的力学特性, 为提高筛分 机械的设计水平、增效降耗, 迫切需要深入了解物 料在筛面上的运动状态及透筛规律[ 1, 3] .
这样若干等间距的筛条就构成了筛分机的筛面. 最 终入筛物料同筛面之间的碰撞就可以被简化为二 维盘元之间的碰撞, 对于颗粒 筛条之间接触碰撞 时的邻居元检索、接触检索及接触力的计算可以借 用颗粒 颗粒之间接触碰撞的算法, 只是将筛条作 为器壁来处理, 筛条的运动状态仅由筛分机的工作 参数决定, 并不受到同颗粒碰撞时产生的接触力的 影响. 如此处理结果使得编程工作得以简化.
焦红光1, 赵跃民2
( 1. 河南理工大学 材料科学与工程学院, 河南 焦作 454003; 2. 中国矿业大学 化工学院, 江苏 徐州 221116)
摘要: 基于颗粒离散元法的基本原理, 采用 VC+ + . NET 开发了筛分作业的二维离散元仿真程 序 SieveDEM , 模拟系统由给料漏斗、筛分机和产品隔板等组成, 入筛物料的粒度组成、给料量及 筛分机的工作参数等均可人为设定, 实现了筛分作业全过程的动态模拟. 对模型筛分机的筛分试 验进行了数值仿真, 模拟结果真实地再现了入筛物料 3 种典型的运动透筛行为, 模拟得到的筛分 分配曲线同试验结果基本吻合. 将筛面上物料的运动速度按矢量分解的方法划分为输送速度和 透筛速度两部分, 统计分析结果揭示了二者的波动现象, 表明离散元法能够反映筛分过程的本质 机理. 关键词: 筛分; 离散元法; 数值模拟 中图分类号: T D 94 文献标识码: A
图 2 料仓中物料的初始状态及给料 Fig. 2 I nitial state o f materia ls in the ho pper and feed
23 4
中国矿 业大学 学报
第 36 卷
2 筛分过程的模拟
转速为 1 400 r/ m in, 振幅为 2 mm , 入筛物料的级
2. 1 模拟条件及计算参数 对模型圆振筛的筛分作业进行了模拟, 这主要
成堆积, 物料在筛分机给料端的堆积阻碍了后续颗 粒同筛面的直接接触碰撞, 这使得后续物料中粒度 较小的颗粒暂时丧失了透筛机会, 反过来又加剧了 物料在给料端的堆积现象. 由于筛分机的抛射作用 及物料颗粒在倾斜筛面上自身的重力作用, 物料在 给料段的堆积厚度并未随着给料过程的继续而持
续不断地增加, 给料量、透筛量及向前输送的物料 量最终达到平衡而在筛分机的给料端形成了一个
Screen Sim ulat ion U sing a Part icle Discret e Elem ent M et hod
JIA O H o ng g uang1, ZH A O Y ue min2
( 1. Schoo l of M aterial Science and Engineer ing, Henan P olytechnic U niversit y, Jiao zuo, H enan 454003, China; 2. Scho ol of Chemica l Eng ineering and T echno lo gy , China U niversity of M ining & T echnolog y, Xuzho u, Jiang su 221116, China)
厚度较为稳定的料层, 物料颗粒随之在筛面上分散 分布并逐渐沿筛面长度方向形成了一定厚度的物
8. 10 32. 41
件设定, 其中筛面长度为 600 m m, 筛孔孔径为 12
合计
100. 00
100. 00
mm, 筛丝直径为 2 m m, 筛面倾角为 30 , 筛分机的
表 2 模拟用计算参数 Table 2 Calculation parameters f or simulation
颗粒密度/ ( g cm - 3)
配如表 1 所示, 模拟用计算参数如表 2 所示.
表 1 入筛物料级配 Table 1 Size distribution of feed
粒度级/ mm
平均粒度/ mm 计算产率/ % 采用产率/ %
0~ 6
1 模拟试验及仿真系统
采用滑 动 阻尼 摩 擦 接触 模型 ( spring dash pot slide cont act mo del) 和 窗口法 建立了入筛物 料的动力模型并解决了离散元法特有的接触点识 别问题, 构建了图 1 所示的仿真系统[ 11] . 除了需要 模拟的物料粒度范围较宽外, 筛分作业的模拟同其 它形式颗粒流模拟实例的不同之处还在于: 1) 需 要构建带孔的壁面 筛面; 2) 筛面作往复的机械振 动并常具有一定的倾角. 因为是二维模拟程序, 物 料同筛分机两侧边框的碰撞接触可以忽略不计, 而 仅考虑物料同筛分机后挡板及筛面之间的接触碰 撞情况. 筛分机的 后挡板可以用平 直的器壁来表 示, 而筛条采用了和颗粒相同的二维盘元来表示,
Abstract: Base on t he basic principles of discret e element m et hod( DEM ) , A t w o dimensional DEM emulat or nam ed SieveDEM w as dev elo ped by a VC+ + . N ET . T he emulato r, consist ed of a f eed hopper, a screen and a pr oduct baf f le, can dy namically simulat e t he w hole screen pro cess. T he f eed size composit e, capacit y and the screen w o rking paramet ers all can be art ifi cial ly set up. Series digit al simulation ex perim ent s of m odel screen had been co nduct ed and three t ypical penet rat ing behaviors in screen pr ocess w ere recurred. T he part it ion curve pro duced by sim ulat ion is in goo d agreement w it h the t est dat a. According to the vect or resolut io n method, the m ot io n velocit y of mat erials w as divided int o a transport ing velocit y and penet rat ing velocit y. T he f luct uat ing phenomenon of t w o velocit ies w as r evealed by stat ist ical result s, w hich indicated t hat the DEM could reflect t he int rinsic mechanics o f screen. Key words: screen; discret e elem ent met hod; dig ital simulat io n
第2期
焦红光等: 用颗粒离 散元法模拟筛分过程
233
的用来计算散体介质系统力学行为的一种数值方 法, 其基本思想源于较早的分子动力学, 它把所研 究的散体离散为独立的" 单元", 相邻的单元之间存 在某种或几种作用力, 单元的运动受牛顿第二定律 的支配, 通过跟踪每个 单元 的微观运动可以得到 模拟对象的力学、热学、物理或化学的状态分布及 演化规律. 经过 30 余年的发展, 离散元法已在许多 散体物料处理领域得到了成功的应用[ 4 8] , 但应用 于筛分作业才刚刚起步. L i 等[ 9] 采用盘元分别模 拟了 3 和 5 mm ( 数量比为 1 1) , 2 和 8 mm( 数量 比为 9 1) 两种粒度的颗粒在筛孔孔径为 4 mm , 筛丝直径分别为 2 和 1 mm, 倾角为 30 的静止筛 面上的透筛行为; Cleary[ 10] 也在文献中提到采用球 元模拟了 8 000 个粒度为 10~ 80 mm 颗粒的筛分 行为, 相关文献体现出了离散元法应用于研究筛分 作业的灵活形和优越性. 本文根据离散元法的基本 原理和筛分作业的特点, 建立了针对筛分作业的离 散元计算模型和算法, 采用 VC+ + . Net 开发了批 处理筛分作业的二维离散元模拟程序 SieveDEM , 首次实现了包括给料在内的筛分作业全过程的动 态模拟.
离散元法( DEM ) 是 20 世纪 70 年代发展起来
收稿日期: 2006 08 25 基金项目: 国家自然科学基金重点项目( 90210035) ; 教育部科学技术研究重大项目( 306008) 作者简介: 焦红光( 1970 ) , 男, 安徽省亳州市人, 副教授, 博士, 从事矿物加工理论、工艺和设备方面的研究. E mail: hpujh g@ 126. com Tel: 13939101497
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性也较好, 同时模拟需要的颗粒数量也不是很多, 模拟程序在 PC 上运行的时间可以承受. 模拟采用 的筛分机工作条件及入料级配均参照实际试验条
6~ 7 7~ 8 8~ 9 9~ 13
6. 5 7. 5 8. 5 10
6. 66 6. 13 5. 59 39. 13
8. 66 10. 26
图 1 模拟场景示 意图 Fig . 1 Schemat ic diag ram o f simulation scence
SieveDEM 的整个模拟系 统由一个给料 漏斗 和一台单层筛分机组成, 其中给料漏斗及筛分机的 规格尺寸( 给料漏斗的容量、给料闸门开启宽度、筛 面长度、筛框高度 等) 均可调, 筛分机的运动 方式 ( 园或直线) 、倾角、振幅、转速等工作参数, 包括筛 条的粗细、筛孔间距等指标也都可人为设定. 模拟 之前首先在给料漏斗上部区域内按一定的粒度组 成由系统自动生成规定数量的颗粒, 而后颗粒在自 身重力作用下自由沉降至闸门关闭的给料漏斗底 部, 待粒群达到稳定的堆积状态后, 即可用于进行 数值模拟试验( 如图 2) . 进行模拟时, 需要给筛分 机加载( 使筛分机在程序的控制下按设定的参数开 始工作) , 同时按系统设置的宽度开启给料漏斗的 闸门将其中的物料通过给料漏斗的下部出料溜槽 给到筛分机中当完成设定的循环数或给料漏斗中 的物料全部通过筛分机( 透筛或成为筛上物) 后模 拟结束.
接触刚度/ ( N m- 1) 接触情形 1 接触情形 2
摩擦系数 接触情形 1 接触情形 2
恢复系数 接触情形 1 接触情形 2
计算时步 保险系数
1. 5
30 000
50 000
0. 3
0. 3
0. 6
0. 5
0. 1
注:源自文库接触情形 1, 2 分别指颗粒间及颗粒同器壁之间的接触
2. 2 粒群在筛面上的运动与透筛 图 3 是模拟得到的筛分作业的进行图.
第 36 卷 第 2 期 2007 年 3 月
中国矿业大学学报
Jour nal of China U niversity o f M ining & T echno log y
Vo l. 36 N o. 2 M ar. 2007
文章编号: 1000 1964( 2007) 02 0232 05
用颗粒离散元法模拟筛分过程
筛分作业是为了产品销售目的或为了调节其 他过程的一种物料准备 工艺, 它广 泛地应用于矿 业、冶金、建材、食品、医药、化工、能源及环境等诸 多领域. 筛分作业的结果不仅对下一步作业的效率 有着重要影响, 而且对直接或间接产生的商品价值
有着很大的影响[ 1 3] . 物料在筛面上的运动状态具 有类似于流体的极为复杂的力学特性, 为提高筛分 机械的设计水平、增效降耗, 迫切需要深入了解物 料在筛面上的运动状态及透筛规律[ 1, 3] .
这样若干等间距的筛条就构成了筛分机的筛面. 最 终入筛物料同筛面之间的碰撞就可以被简化为二 维盘元之间的碰撞, 对于颗粒 筛条之间接触碰撞 时的邻居元检索、接触检索及接触力的计算可以借 用颗粒 颗粒之间接触碰撞的算法, 只是将筛条作 为器壁来处理, 筛条的运动状态仅由筛分机的工作 参数决定, 并不受到同颗粒碰撞时产生的接触力的 影响. 如此处理结果使得编程工作得以简化.
焦红光1, 赵跃民2
( 1. 河南理工大学 材料科学与工程学院, 河南 焦作 454003; 2. 中国矿业大学 化工学院, 江苏 徐州 221116)
摘要: 基于颗粒离散元法的基本原理, 采用 VC+ + . NET 开发了筛分作业的二维离散元仿真程 序 SieveDEM , 模拟系统由给料漏斗、筛分机和产品隔板等组成, 入筛物料的粒度组成、给料量及 筛分机的工作参数等均可人为设定, 实现了筛分作业全过程的动态模拟. 对模型筛分机的筛分试 验进行了数值仿真, 模拟结果真实地再现了入筛物料 3 种典型的运动透筛行为, 模拟得到的筛分 分配曲线同试验结果基本吻合. 将筛面上物料的运动速度按矢量分解的方法划分为输送速度和 透筛速度两部分, 统计分析结果揭示了二者的波动现象, 表明离散元法能够反映筛分过程的本质 机理. 关键词: 筛分; 离散元法; 数值模拟 中图分类号: T D 94 文献标识码: A
图 2 料仓中物料的初始状态及给料 Fig. 2 I nitial state o f materia ls in the ho pper and feed
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中国矿 业大学 学报
第 36 卷
2 筛分过程的模拟
转速为 1 400 r/ m in, 振幅为 2 mm , 入筛物料的级
2. 1 模拟条件及计算参数 对模型圆振筛的筛分作业进行了模拟, 这主要
成堆积, 物料在筛分机给料端的堆积阻碍了后续颗 粒同筛面的直接接触碰撞, 这使得后续物料中粒度 较小的颗粒暂时丧失了透筛机会, 反过来又加剧了 物料在给料端的堆积现象. 由于筛分机的抛射作用 及物料颗粒在倾斜筛面上自身的重力作用, 物料在 给料段的堆积厚度并未随着给料过程的继续而持
续不断地增加, 给料量、透筛量及向前输送的物料 量最终达到平衡而在筛分机的给料端形成了一个
Screen Sim ulat ion U sing a Part icle Discret e Elem ent M et hod
JIA O H o ng g uang1, ZH A O Y ue min2
( 1. Schoo l of M aterial Science and Engineer ing, Henan P olytechnic U niversit y, Jiao zuo, H enan 454003, China; 2. Scho ol of Chemica l Eng ineering and T echno lo gy , China U niversity of M ining & T echnolog y, Xuzho u, Jiang su 221116, China)
厚度较为稳定的料层, 物料颗粒随之在筛面上分散 分布并逐渐沿筛面长度方向形成了一定厚度的物
8. 10 32. 41
件设定, 其中筛面长度为 600 m m, 筛孔孔径为 12
合计
100. 00
100. 00
mm, 筛丝直径为 2 m m, 筛面倾角为 30 , 筛分机的
表 2 模拟用计算参数 Table 2 Calculation parameters f or simulation
颗粒密度/ ( g cm - 3)