摘 要

本文以工业烘干领域中针对污泥类团聚湿物料进行烘干处理的风扫管式烘干机（Air-Swept Tubular Dryer，简称AST烘干机）内部的混合与轴向输送过程为研究对象，应用离散元素法(Discrete Element Method，DEM)对机器内部颗粒集团在工作循环内的混合行为和轴向输送作用进行分析。针对湿物料的特殊理化性质，应用Hertz-Mindlin with JKR接触模型实现对于颗粒间接触受力状态的模拟，进而完成对于颗粒单元运动行为的数值分析，从而得出实际工况下颗粒在烘干机内部的运动规律。针对颗粒的混合行为，采用工程统计学中对于混合行为的评价方法，计算取样区域网格单元内部的颗粒含量，从而获得混合均匀度这一统计学分析指标评价不同主轴转速下混合进程与混合质量。针对颗粒在叶片作用下的轴向输送作用，采用所有颗粒单元在混合前期的轴向速度总体均值的变化进行描述，而对于影响轴向输送作用的两大关键参数，基于二元变量分析，采用MATLAB中的Curve Fitting Tool拟合工具获得合理的曲面表达方程，从而完成对于轴向输送速率预测模型的标定。分析结果表明，随着主轴转速升高，AST烘干机内混合进程平稳度提高，达到混合稳定状态所需的时间缩短，而叶片偏角与主轴转速在合理范围内都与轴向输送速率呈现正相关关系，超出该参数取值范围后的轴向输送速率的提高将会受到一定的抑制。该分析结果可以，AST烘干机在实际生产中的参数匹配提供指导，优化机器工作效率。

　　关键词：AST烘干机，离散元素法，参数匹配，优化

Abstract

The paper is focused on the mixing and axial transport process inside the Air-Swept tubular dryer (AST dryer), which is used to drying the wet materials with sludge agglomeration in the industrial drying field. It uses the discrete element method (DEM) to analyze the mixing behavior and axial transportation of the particles in the working cycle inside the equipments. In view of the special physical and chemical properties of wet materials, the application of Hertz-Mindlin with JKR contact model implements the simulation of stress state in the contact, and then completes the numerical analysis of the particle-units' motion, so as to arrive at motion law of particles inside the dryer in the actual conditions. For the mixing behavior of particles, the engineering statistics evaluation method for the mixing behavior is used to calculate the particle's content within the grid unit in the sampling region in order to obtain the statistical analysis evaluation index——uniform degree of mixing and estimate mixing process and mixing quality at different spindle speeds. For particles' axial transportation under the action of blades, changes of the mean value of all particles units' axial velocity in the early period are adopted, and for the key parameters that affect the axial transport, the method based on bivariate analysis that uses the MATLAB curve fitting tool is used to obtain reasonable surface expression equation, to complete the calibration of axial transport rate prediction model. Analysis results show that, AST dryer improves its mixing process's stability with the increase of spindle's speed, the time reaching steady mixing state is shortened, and positive correlation between the blade's deflection angle, spindle speed in the reasonable range and axial delivery rate are definitely shown, but the value beyond the range will inhibit the axial conveying rate's increase. The results of the analysis can provide guidance in the actual production of parameter matching for AST dryer, and to optimize the efficiency of the machine work.

Key words: AST dryer, discrete element method, parameter matching, optimization

目录

摘要 IV

Abstract V

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及其意义 1

1.2 EDEM分析应用的发展与现状 2

1.3 论文研究的主要内容 4

第2章 颗粒性质分析及其计算模型 5

2.1 物料颗粒的性质标定 5

2.2 颗粒模型与颗粒间接触模型 6

2.2.1 原始Hertz-Mindlin接触模型 6

2.2.2 基于JKR凝聚理论的Hertz-Mindlin接触模型 8

第3章 基于EDEM方法的AST烘干机内部混合进程分析 10

3.1混合机理分析 10

3.1.1 混合过程的基本理论 10

3.1.2 混合效果的评价 11

3.2 AST烘干机内工作时的混合进程分析 12

3.2.1 AST烘干机内的混合原理 12

3.2.2 EDEM分析设置 14

3.2.3 混合进程的EDME结果分析 15

3.2.4 转速变化对混合质量的影响 18

第4章 基于EDEM方法的AST烘干机内部轴向输送速率分析 21

4.1 AST烘干机内部物料轴向输送运动分析 21

4.2 基于EDEM轴向输送运动特性分析 22

4.2.1 EDEM软件分析设置 22

4.2.2 单变量因素对于轴向输送速率进程的影响 24

4.2.3 二元变量对于轴向输送速率的影响 26

结论与展望 29

结论 29

展望 30

致谢 31

参考文献 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及其意义

在粉体工业中，物料的微粒往往相互接触聚集，并与其周围离散状态的固体单元以及空隙形成具有统一性质的新集合体，这种组织被称颗粒。根据其微观构成，可以将生产中常见的颗粒划分为四大类型：原级颗粒型、聚集体颗粒型、凝聚体颗粒型和絮凝体颗粒型[^[1]]，如图1.1。在实际工业生产，如石化、矿冶、制药、食品加工等行业中的物料制备，输送与排除过程当中，均涉及对于大量颗粒团状物料的工艺进行分析与推算。不同于适用有限元分析方法求解的连续介质力学问题，由于颗粒物料理化特性的特殊性和复杂性， 使其并不具有数学上的连续性，无法满足连续体假设。

图1.1 不同形态颗粒示意图

（a）原级颗粒；（b）聚集体颗粒；（c）凝聚体颗粒；（d）絮凝体颗粒；

生产实践中，颗粒混合通常指多种不同颗粒物料按照一定比例在机械设备或是其他外力的作用下填充到彼此的空间当中，通过速度与位置的反复变化使物料颗粒在工作空间内部及其子空间中分布均匀，经过后续工序加工成为最终产品的生产流程。而颗粒的输送作用则常应用于料仓系统中的物料给送设备，其主要依靠物料自身的重量、惯性或输送设备的工作机构的强制作用，将某级物料卸出并连续均匀地送入下一级设备当中。颗粒物料的混合与输送在生产与生活中十分普遍，是工业生产工艺中的一项重要组成内容，因而在粉体力学与非连续介质力学中具有一定的研究价值。

图1.2 AST烘干机工作原理流程图