旋转滚筒横向截面混合柔性丝状粒子的动力学数值模拟外文翻译资料

 2022-10-08 11:44:01

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旋转滚筒横向截面混合柔性丝状粒子的动力学数值模拟

摘要：柔性丝状粒子是一种特殊粒子并且在工业过程中扮演着一种十分重要的角色。我们用二维数字分析旋转滚筒横截面的柔性丝状粒子的混合动力学。首先，粒子动态研究介绍了细条链状模型，并且在过程中追踪每个粒子及其每个部分.然后,数字探索旋转滚筒横截面大部分粒子运动和通过可视化表示的进一步调查粒子的混合动力。为了量化混合的质量，用混合率去定义桶内粒子混合范围。此外，自转速度的效果，混合粒子滚落高度和填充率都计入细节。另外，数值结果与实验结果对比，吻合度较高。数值分析对柔性丝状粒子混合数值提供有价值的认知。

1.介绍

许多生产过程包括柔性丝状粒子，比如纸浆纤维，牧草，烟草粒子，纺织品中的微纤维，药物中毒聚合物，烟草花叶病病毒，生物DNA分子等。然而柔性丝状粒子是独一无二的，他们细长，与球状粒子明显不同，从结果中得到球星粒子不能被简单的运用于柔性丝状粒子。

这些不规则的粒子和他们的微粒系统的行为的基本了解仍旧缺少，尽管他们可能潜在的许多产业。微粒运动学，粒子流和混合动力学的研究可提供有用的意义去拓展粒子运动。尤其混合动力生产大规模组织结构可以提供检查粒子流的方法。

在同一时间，旋转筒在化学，冶金，食品，烟草，矿物加工产业中为了混合，干燥，加热和化学反应而广泛使用。微粒产业中混合动力学在滚筒中是很重啊要的过程，经常担任固体间热量转换。这限制比率因素影响产量和效率以及最终产品质量。因此，粒子的混合经常是回转筒内粒子大量移动描绘的障碍。典型的，粒子性质是重要的因素，尤其是颗粒形状。

因此，这篇论文的目的是研究回转筒内柔性丝状粒子的混合动力学，尤其是转化方向从横向截面粒子混合以一个较小数量级快于轴向。而且，研究混合率去决定桶内粒子长度。此外，转动速度影响，飞行高度和填充度在粒子混合度中的影响将在细节中讨论。结果和实验数据对比，所以提供有用的的信息去研究飞球状粒子。

2.计算模式

2.1 物理模型

回转筒的研究由一个长柱状壳体，筒略微倾斜使颗粒可以从一端流到另一端。颗粒流过横截面，对颗粒混合和干燥都至关重要。虽然有不同的移动情况，垂直飞落简单常用语回转干燥器中，在这个研究中被作为一个例子因为柔性丝状粒子的灵活性和模拟技术。因此，用二维模型去研究柔性丝状粒子在回转筒内的大量移动。

2.2 数学模型

一个细长条链状模型引进两种模型，接下来假设两种模型

（i） 柔性丝状粒子细长均匀且各向异性。每个粒子分成三段，且每一段的形体坚硬细长，每一段之间有球形关节连接。这样的结构是每一个粒子像链条一样连接坚硬的部分，这个粒子链条呈现在二维图像中。因此一个颗粒可以看成多段刚性组织系统。

（ii）方程调节粒子模型的运动来源于粒子每一段上的压力和扭矩平衡。多刚体系统的拉格朗日方程。同时，额外的束缚作用于接触粒子的运动保证每一段连接成链状。活动的连接处被描述成一系列积分代数来约束多体系统。因此多刚体系统的运动微分方程和约束方程可以被描述成T在哪的动能系统。

(iii) 颗粒与颗粒，颗粒与壁面和颗粒飞落碰撞时全部严格的模式

2.2.1. 碰撞检测

追踪每个颗粒和他的片段去记录每一个片段的参数。用片段的两端去决定颗粒的位置来实施。用像两点的距离，共面线，不同面的线，点和线的距离等参量去决定如果发生碰撞的碰撞点在哪。

2.2.2. 碰撞模型

脉冲定理和泊松限制被用来连接不同粒子的片段。如果碰撞发生在量粒子之间，他可以被当做两个细长体之间的碰撞。如果颗粒和墙发生碰撞，墙可以看做是一个拥有巨大质量的特殊颗粒。其他的处理方法和颗粒一颗粒碰撞相同。垂直飞落也可以看做是一个特殊拥有巨大质量粒子飞落碰撞。方程通过受力和转矩平衡调节每个颗粒的移动。碰撞模型的细节可以从先前的研究中找到。此外，周期的边界被认为是桶内混合过程。上述模型被确认在一定程度上仿真和实验在之前的研究中，在影响分析中的研究分析去预言回转筒内柔性丝状粒子颗粒的运动。

2.3. 混合程度

表格一概述了仿真模拟的参数。通过提升VB代码使桶内混合过程中最初的效果可视化，三组颜色不同的颗粒在同内分层，红色在最底层，蓝色在顶层，绿色在中间，如图所示。

基于这些从不同模拟情况下得到的模拟数据，通过横切面的快照和图像分析来调查回转筒内柔性丝状粒子的混合动力学，计算联系数字在转换横截面在不同颜色的颗粒。在每次旋转在每次混合仿真下的每次旋转红色和蓝色颗粒在混合过程和测绘相关数字。因此，在回转筒内颗粒混合长度在不同的混合模拟情况下可以被决定，柔性丝状粒子的讨论基于自转速度，飞行高度和混合动力学填充率的影响。

3.结果与讨论

（1） 颗粒物料的运动区域。物料在筒体横截面内的运动区域也受到各种因素的影响，即使在相同工况条件下，物料运动区域在不同阶段的分布也存在万方数据着规律性变化。物料运动区域的变化直接影响了物料休止角的变化，即颗粒物料在运动过程中的休止角是动态变化的。了解和研究颗粒物料在筒体横截面的分布状态，对于筒式冷却机冷却系统的设计具有重要的参考价值；得到颗粒物料动态休止角的变化范围，对于我们研究颗粒物料在筒体内的平均停留时间也有很大的帮助。

（2） 单个颗粒的运动轨迹。通过动态仿真分析，可以得到任意颗粒在筒体横截面内的运动轨迹，以及其在 x 轴和 y 轴方向上的坐标变化。通过随机选取一定数量的颗粒分析研究其运动轨迹的变化，以便直观地分析研究颗粒物料的运动规律。

（3） 颗粒物料对筒体壁面的作用力。颗粒在筒体转动一周的过程中，对筒体壁面的作用力是随着颗粒聚集体运动而不断变化的。从对设备实际运行状况的观察可以看出，颗粒物料对筒体壁面的作用力对于筒式冷却机主电机电流的实时变化，以及颗粒和筒体的磨损都存在一定的影响。

3.1. 飞落高度的效果

图3展示了回转筒内横截面三种不同飞落高度60,100和150mm下的模拟颗粒分布变更和混合时间。图4展示了每一段时间联系数字与四种不同飞落高度下单混合时间（20,60,100和150mm）

正如图3所示，初始的颗粒床有三种颜色不同的颗粒层组成，在开始阶段显示了明显的颗粒分层。随着回转筒旋转，大量颗粒开始出现移动，最靠近桶壁的颗粒被举起后准备掉落。这些颗粒将会被带到一定高度，然后开始掉落穿过横截面。落下的颗粒掉落到移动的颗粒床表面，与其他的颗粒相接处，然后再一次被举起然后再一次掉落，这个过程不断重复。作为结果，颗粒迁移并且相互作用导致颗粒混合，并在横截面分离。因此，先前的分层逐渐消失，颗粒混合开始变得更统一。

图3 展示了，随着飞落高度从60mm增加到150mm，更多的颗粒被升到更高的位置，然后落下用更多时间穿过一个过更长的长距离，因此形成一个持续的，稳定的，瀑布颗粒幕使颗粒如下雨一样在横截面的空间中，与回转筒内的空气流动有关。

回转筒内的粒子混合过程可以进一步描述如下。底部鼓旋转,颗粒层直接飞落,落在在鼓空间和到颗粒床面的粒子接触, 在最初的阶段造成联系数字增加,如图4所示。随着过程的继续,分层结构逐渐消失和联系数字不断增加。当粒子混合完成,联系数字趋于一个常数的值,在这个值由于定期运动的粒子在鼓旋转而波动。这渐近连接数量值,标记在图4 Nmix和拟合得到的累积的水平渐近线分布函数,被认为是所需的平均接触数而达到完全混合。此外,混合时间达到稳定状态所需的完整混合,tR,通常是用来描述粒子的机械搅拌效率,在仿真结果的基础上确定的联系数字与混合时间,如图4中所示。这次与混合装置的转速根据:tR =N/n,其中N是完整的混合所需的鼓的旋转数和，n是鼓转速,1 / s。可以观察到从图4,关键的混合时间,tR,和关键的联系数字,Nmix,随着飞行高度的减少略有降低,例如Nmix 2500,不到2800,高于2800,不到3400的飞行高度o与150,100,60和20毫米相一致,表明在一定范围内,增加飞行高度可以加速粒子混合,从而允许更少的混合时间实现完整的混合。粒子与混合时间联系数字的模拟变化在不同飞行高度如图4所示与在文献中可用的球形粒子实验结果定性一致的趋势。

3.2.转动速度的效率

转动速度的影响混合动力见图3和图5显示了三种不同的旋转速度,图6显示了联系数字和混合时间在不同的旋转速度(a)和临界混合时间tR与转动速度omega;(b)。正如所料,增加回转筒的旋转速度将提高粒子提升高度,这意味着更高的飞行高度,因此将加速回转筒内粒子的混合过程。我们可以看到在图6(b),对于一个给定的回转筒加载关键混合时间随回转筒旋转速度增大而减小。

3.3. 填充率的效果

回转筒内充填程度仿真结果的影响如大部分运动粒子的图所示。3和7,粒子分布变化与混合时间中横截面不同滚筒载荷的12.1%(图7(a)),15%(图3)和21.3%(图7(b))与飞落高度150毫米和10转没分钟鼓转动速度。图8显示联系电话/革命在不同滚筒载荷与混合时间,表明混合时间与滚筒载荷的增加略有增加由于较高的粒子库存鼓需要较长的混合时间实现完整的混合。在此同时,所需的粒子联系电话完全混合,Nmix,与鼓填充度的增加也会增加。

4. 结论

在这篇论文中，模拟了回转筒内横截面的柔性丝状颗粒的混合过程,使用链模型和纤细身体的碰撞模型来跟踪单个丝状颗粒的轨迹通过可视化表示去探索大量粒子运动。基于联系数字的模拟曲线每次旋转与混合时间获得在不同模拟条件下,估计颗粒混合完成所需的临界时间,和粒子飞行高度的影响,对回转桶旋转速度和鼓装载大量运动的粒子进行了讨论。仿真结果表明,增加飞行高度和鼓转动速度可能会加速粒子混合过程和滚筒载荷的增加导致了需求的关键混合时间更长。然而, 在回转筒内横断面的柔性丝状颗粒混合动力的理解需要进一步仿真研究和实验验证与研究完善。

感谢

真诚的感谢金融支持从基础研究基金为中央大学(No. 2010QNA12),中国博士后科学基金资助项目(No. 2012M511334),,中国矿业大学技术人才发展基金会,和航行计划的中国矿业大学和技术

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