基于离散单元法的螺旋输送机数值模拟与分析

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1、2015年2月农机化研究第2期基于离散单元法的螺旋输送机数值模拟与分析1，221吴超，胡志超，吴努(1．南通大学机械工程学院，江苏南通226019;2．农业部南京农业机械化研究所，南京210014)摘要:为探究螺旋转速、填充率、螺旋直径以及螺距对颗粒物料运动速度、螺旋输送机输送量和功率消耗的影响，减少今后螺旋输送机设计选型的困难，基于离散单元法，对螺旋输送机进行数值模拟，再以输送单位质量物料所消耗的功率(功率消耗/输送量)作为评价螺旋输送机输送性能的指标。结果表明:螺旋转速和填充率影响最显著，且在其他

2、条件一定的情况下，螺旋转速和填充率分别为200r/min和20%时，螺旋输送机输送单位质量物料所耗功率最小;当在螺旋转速和填充率一定的情况下，螺旋直径与螺距的比值约为0．9时，输送机输送单位质量物料所耗功率最小。关键词:螺旋输送机;离散单元法;数值模拟;颗粒速度;输送量;功率消耗中图分类号:S229文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)02－0057－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.014［14］描述了散体物料离散元模型。Shimizu和Cunda

3、ll0引言首次提出了颗粒物料在螺旋输送机内的离散元模型，螺旋输送机广泛应用于国民经济的各部门，主要并检验了水平和垂直的螺旋输送机的性能，且与之前［15］用来运送散货物料，如粮食、化肥、煤矿及水泥等。螺的实验结果和经验公式进行对比。Cleary利用离旋输送机虽然结构简单，但其输送机理十分复杂。最散单元法研究了45°倾角螺旋输送机的功率消耗情常用的描述螺旋输送机理的方法是单质点法，即把散况，并检验了颗粒形状对螺旋输送机性能的影响。体物料简化成一个质点来研究，通过研究分析这个质Owen和Cleary于200

4、9年用离散单元法预测了不同输点的运动和受力，来确定螺旋输送机的各个参数。此送倾角的螺旋输送机的输送能力和功率消耗，其结果［16］理论在填充率低、转速不大的情况下有一定的准确性与相同条件下的实验结果十分相近。本文将利用和适用性，但它忽略了颗粒群体内部之间的相互作离散单元法拓展Owen等人原先的工作，研究不同螺［1－3］用，因此在填充率较高的情况下并不适用。也有旋转速、填充率、螺旋直径以及螺距对输送机内颗粒一部分学者借助于流体力学分析方法，将散体颗粒抽运动形态、质量流量和功率消耗等的影响。［4－5］象为理

5、想流体，分析流体输送过程中的特性。螺1初始模型的建立旋输送机设计参数多，且各参数间相互联系制约，设计工作复杂难度大，一直没有很好的设计计算模型，1．1螺旋输送机模型及参数［6－7］必须凭借设计者的经验，类比其他输送机。若设本模拟中所用到螺旋输送机与Ｒobert和［17］计不合理，易出现不稳定流速、喘振、产品不均匀、设Willis实验中所用的螺旋输送机相似:螺旋轴直径备磨损严重、功率消耗高等问题。因此，很多学者提为13mm，螺旋外径与内管壁的间隙为1mm，螺旋叶片出多种方法对螺旋输送机结构进行优化，如粒

6、子群算厚度约为1mm，其他参数如表1所示。法及遗传算法等［8－10］。表1螺旋输送机结构及工作参数Table1Structuralparametersandworkingparametersofthescrewconveyer离散单元法最早由美国学者Cundall提出，已广泛应用于与固体颗粒相关的领域［11］。文献［12－13］螺旋直径D螺距S填充率螺旋转速n/mm/mm/%－1/r·min收稿日期:2014－03－07323220200基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201203037);国家

7、花生产业技术体系产后加工机械岗位项目(CAＲS－14)343430400作者简介:吴超(1990－)，男，江苏常州人，硕士研究生，(E－mail)wuchao1990327@163．com。363640600通讯作者:吴努(1957－)，男，江苏南通人，教授，硕士，(E－mail)383850800wuchao_888@126．com。·57·2015年2月农机化研究第2期续表1螺旋直径D螺距S填充率螺旋转速n/mm/mm/%－1/r·min4040601000424270120044441400图1

8、为螺旋输送机DEM模拟图。图1螺旋输送机DEM模拟图Fig．1DEMsimulationfigureofthescrewconveyer1．2颗粒模型及参数［17］在模拟中所用的颗粒物料为Ｒobert和Willis实验中所用的小米，形状近似球形。模拟中，用球形颗粒代替，半径为1．5mm，具体物性参数如表2所示。表3为小米颗粒与小米颗粒、小米颗粒与螺旋输送机之间的碰撞参数。表2材料的属性参数Table2Materialpropertyparameter剪切