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2016八月29日收到

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关键词：

斗式提升机

离散元法

EDEM

气/固耦合流动

散装物料的垂直输送经常采用斗式提升机进行。这种设备使用输送机皮带拖动一系列的链斗在一个外壳内在一个范围里，上升，旋转，然后下降。他们通常用于向上输送散粒物料。这些铲斗行进的速度可以移位大量的空气。这种空气和桶内容物之间的相互作用可以改变排放动力学粒度负载。使用有限差分求解耦合气体粒子数值模型气流用浸没边界法（IBM）来表示复杂的桶和箱体几何形状在模型。离散元素方法（DEM）用于微粒流。使用组合方法以研究气流颗粒行为的影响，特别是在从料斗排出时。所使用的斗式提升机设计基于具有已知操作问题的现有安装。存在的气流被显示为改变来自料斗的颗粒的优先喷射，影响轨迹的形状的喷射颗粒流，并且使离开提升机的颗粒的效率降低10-14％。这些效果也显示出强烈的尺寸依赖性，更细的颗粒更易受阻力来自空气流的力。发现机器内部材料的保留由大约50％的材料组成从靠近挖斗尖端离心地喷射，并且大约70％的材料位于更靠近输送机在最后阶段期间溢出分离器的桶的带侧，并且下落回到料槽。

copy;2016 Elsevier B.V.出版

1.介绍

大型料仓或多层工业操作的散装材料处理

通常需要连续输送颗粒材料大垂直距离。最常用的机械输送用于这种应用的装置是斗式提升机输送机。简单这些设备的结构和紧凑的占地面积，以及它们的广泛可扩展性使它们成为散装材料处理的流行组件部件。它们是重力放电型其中颗粒在重力或离心排放下脱落类型，其中颗粒从铲斗的周边喷出在离心力作用下，铲斗运动从线性变为圆形绕头滑轮。在离心排放系统的情况下，这通常由一系列被螺栓连接的宽间隔的吊桶组成沿着封闭的垂直（或大倾斜）路径，整个系统通常容纳在长的外壳内[1]。料桶跟随输送机的运动并连续地穿过外壳的底部（“引导”）并收集材料或者在向上的腿上提供，或者从向上铲起起源于溢出的料槽内部的材料积累头滑轮。这种系统的预期排空模式是在通过头部滑轮期间完全离心排放铲斗内容物。然而，特定装置的操作条件或设计可导致差的排空效率，这导致大量的材料在头部滑轮的端部减速时保持在铲斗内部。排空铲斗内容物的最后阶段然后由重力控制，使得总排空过程是离心和重力排放的组合。然而，许多维护问题与这些装置相关。这通常是较差的带跟踪或对早期铲斗的张紧导致的结果磨损[2];或差的进料/排放效率，这可能导致溢出，减少的产量和材料保持在主体外壳内。由于膨胀材料在桶，箱，带和滑槽表面上的滑动，优势机械机械臂升降机磨损。为了处理这种情况，斗通常由工业塑料或耐磨压制钢制成，并且斜槽通常衬有耐磨材料。强烈气体中的空气颗粒也为封闭物和斜道壁产生磨蚀性环境。

通讯作者。

电子邮件地址：matthew.sinnott@csiro.au（Sinnott女士）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2016.12.018

0032-5910/copy; 2016 Published by Elsevier B.V.

Please cite this article as: M.D. Sinnott, et al., Coupled gas-particulate discharge froma bucket elevator, Powder Technol. (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2016.12.018

可以将精细材料留在设备表面上，然后携带进入下一批要输送的材料。对于非常轻的材料如面粉，水泥或飞灰，进料和排放效率差可能经常由桶和外壳内的湍流气流产生与这些材料相互作用。斗通常占据很多的输送机和封闭壳体之间的空间，周围的斗只有适度的间隙，使得其夹带并置换大量的空气。这种空中运动经常进入斗，吹掉大量可以沉降的精细材料进入下面的其他斗或积累在内。不足输送可燃物（如糖）时可以排气由于持续悬浮，引起爆炸或火灾的重大风险[5]的主反应性粉尘与摩擦力结合由于皮带打滑或高轴承温度导致的热量。差异铲斗内外的气压也可能导致不完全填充或放电。这些压力有时被缓和在水桶地板中。内部的气流滑槽还将拖曳力施加到排出颗粒流。这可以修改粒子轨迹并因此影响它颗粒被引导到排放滑槽中并且哪些颗粒下落回到引导料槽。由于空气阻力的影响是强烈的颗粒尺寸依赖，这产生重大和不期望的机会分离效应和产物组成变化。用于预测大规模行为的计算模型使用基于粒子的方法（例如离散元素方法）的粒状集合（DEM）可以评估设备的适用性设计选择和评估操作假设情景前到建设一个完整的模型。他们越来越习惯解决过程问题，指导设备的重新设计，并提高许多行业的运营效率涉及加工，运输和处理散装材料。也许令人惊讶的是，起来直到现在很少有斗式提升机的颗粒流动模型存在文献。 McBride etal [6]开发了离心式3D DEM模型斗式提升机上部的排放动力学。这包括由于铲斗加速而产生的动态带变形的影响围绕头部滑轮及其对材料排放的影响但忽略了空气流分量。 Boac et al。 [7]调查使用3D和准二维DEM的斗式提升机的下部模型，也忽略了气流，了解大豆的混合喂入料槽并由斗舀起。Peacute;rez-Aparicioet al。 [8]开发了二维模型的斗排放的各种斗形和使用不连续变形的散装材料分析。这些研究都没有包括气流对颗粒的影响行为是显着的限制。替代方法的批量运输如OLDS电[9]，螺旋输送机[10-12]和气动输送[13,14]DEM。了解气体 - 颗粒系统的动态行为对广泛的过程工业的根本利益。复杂性的粒子碰撞及其与非稳定的相互作用气流不允许通过分析方法和溶液没有足够好地代表只有数值模型模拟气流。气体颗粒的CFD模拟的综述工业应用的流动可以在[15,16]中找到。计算流体动力学（CFD）模型使用欧拉 - 欧拉法代表气体和颗粒固体作为连续体相互作用。这些模型在计算上较少比解决固体的颗粒性质的方法更苛刻和他们的碰撞相互作用的详细性质。但是这样模型无法预测颗粒微观结构的动态变化和气体场相互作用的孔隙度。他们也忽略气体阻力在颗粒尺度上的细节如依赖性颗粒形状和取向。或者耦合的欧拉 - 拉格朗日方法已经被制定以更准确地建模颗粒相使DEM作为离散颗粒。这种类型的方法是Tsuji等人首次提出的。

然而，较粗的颗粒倾向于是机器磨损的最大原因，因为它们较大的动量，因为它们能够独立于气体移动并与表面碰撞。对于用于运输多种材料的输送机，封闭体内部的回收负荷可能导致产品之间的交叉污染[3]，甚至促进积累在料槽中的昆虫侵染有机材料[4]回收负荷。

[17]作为一个二维模型其使用圆形颗粒和耦合气流模式气动输送。这种类型的模型最典型地用于研究流化床[18-23]。这种模型的详细评述在[24]中给出。耦合的DEM-CFD方法已被用于球形颗粒的3D模拟，以研究喷射流化床中的流动状态[25]。 Guo et al。 [26]使用2D模拟来观察移动物体在流化床内使用浸没边界法（IBM）的影响。所有这些研究假设颗粒是球形的，其中实际材料可以具有高度非球形颗粒形状。 [27]介绍了有限差分（FD）气流的块状和高方面DEM粒子的建模。这显示出对气动输送[13]和气体注入到颗粒床[28]中的气体输送行为具有显着影响。Zhou等[29]考虑了椭圆形颗粒的影响以及通过流化床对气体输送的识别形状相关影响。本研究的目的是研究空气流对现实形状颗粒的行为的影响，以及这如何影响机器的整体放电效率离心式斗式提升机的操作。以前使用DEM [6]研究了特定的斗式提升机设计，但忽略了气流。这种配置基于现有的安装，其已经识别出操作/设计缺陷，例如在铲斗尖端和外壳的壁之间具有小的气隙，这导致不良的运输和设备表面上的磨损。这里，目的是分析现实斗式提升器组件的操作以示出将空气流包括在模型中的一般重要性，并且可以识别出与流动相关的问题，而不是优化该机器配置的设计和操作。使用从斗中排出颗粒状球形珠粒的联接的DEM-CFD模型来理解颗粒尺寸如何影响斗式提升机和外壳内的材料保持。固体的优先排出或保留的程度取决于料斗中的初始位置桶也被考虑。双向耦合DEM-FDDEM的数值方法用于对桶中的颗粒材料建模，同时使用有限差分（FD）方法求解耦合气流。

2.1离散元素法（DEM）使用DEM可以预测散粒材料的粒状流动的数值模型，DEM可以预测个体粒子的运动和相互作用。对于每个计算时间步长，跟踪所有分解的粒子，并且计算粒子之间和粒子与边界之间的力。接触力模型确定每次碰撞的结果。在这项工作中使用线性弹簧缓冲接触模型。弹簧力代表颗粒的弹性载荷，缓冲器提供非弹性碰撞中的能量损失。在这个模型中使用的粒子将是球形的。用于桶，带和几何形状的MESh表示被提供给DEM解算器，用于接触检测和相互作用的预测。通过计算颗粒之间和颗粒与每个网格元素之间的颗粒重叠来建模颗粒 - 颗粒和颗粒 - 边界碰撞。所使用的具体DEM软件是在[30,31]中描述的，并且已经应用​​于广泛的矿物加工[32,33]和膨胀材料处理[10,13]应用。有限差分（FD）气体模型使用通过多孔床的气流的堆积方程来表示气体系统，如[22]所给出的。使用两个变量定义气体速度：颗粒之间的气体的间隙速度u和称为超表速度u的气体的平均体速度。气体密度假定为常数，因此气体是不可压缩的，并且速度可以通过表达式u=εu和ε

c是孔隙度。在看得见的速度气体流动本构关系：

（1）

中p是气体压力。应力张量tau;作为通常牛顿形式和流体粒子相互作用的身体力量，FFP = FD FB，是体积平均力对流体，颗粒阻力FD，加上任何气体力FB。这些方程进行离散，在模拟域笛卡尔网格。孔隙度是明确计算DEM模拟在每一个时间步的计算部分在一个给定的格子[ 34 ]每个球形颗粒。粒子表面进行校核与生成粒子网格交叉。任何部分的表面网格内的细胞是递归细分下来一些规定最低水平。在最小单元尺寸的线性空间的体积分数的应用。

对于数值计算程序是首先确定孔隙度在新时间步的计算量分布DEM颗粒。表面速度场然后用公式（1），其中给出了孔隙度变化率差异决定了肤浅的速度场在下一步。Eq.（1）采用变化的压力校正方法[ 27 ]，

根据[ 27 ]，阻力是主要的流体粒子系统中的力的相互作用。对一个因附近颗粒[ 35 ]修正多粒子系统颗粒阻力：

（2）

Cd是阻力系数，Ur是表观气流速减去粒子速度，rho;流体密度和ε是气孔或局部空隙率。颗粒雷诺兹数是通过re= 2rrho;|Ur| /eta;,其中R是粒子半径和eta;给出了流体动力粘度。阻力系数单颗粒[ 36 ]，基于相关性的实验数据，是适

合于这一应用，这里使用的是：

（3）

颗粒也受到斯托克斯旋转阻力，通过，其中R是omega;角速度矢量，在[ 27 ]，并添加到D

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