基于DEMSLab的双螺旋锥形混合器的数值模拟

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01 背景介绍

双螺旋锥形混合器是一种新型颗粒混合器（见图1），由于其具有较高的颗粒混合效率和较低的能耗，其应用领域日益扩大，被广泛应用于各种各样的过程工程，比如食品工程、制药工程、化学工程和建筑工程等。双螺旋锥形混合器中螺旋在绕自己的轴转动（自转）的同时，还环绕锥形容器的中心轴，并借助于转臂的回转在锥体壁面附近又作行星运动（公转）。该设备靠螺旋的公、自转使物料在锥体内产生复合运动，从而达到均匀混合的目的。目前，对于此类混合器的认识仅仅停留在生产者的实操经验中，对进一步优化设备结构提高生产效率缺乏深入的研究。因此，本项目采用数值模拟的方法，深入研究双螺旋混合器中的颗粒运动规律。本项目主要研究了双螺旋自转与公转速度、颗粒粒径比对混合效率的影响，并对颗粒局部和整体的混合效率进行评估，同时研究了工业上较为关注的设备功率和磨损问题。

02 技术难点

本项目研究的难点主要局限在设备结构复杂难以在实验室环节进行实际复刻研究，和颗粒数量巨大难以在现实中评估颗粒混合状态。因此，在此类较大规模工程问题的研究中，数值模拟方法是最佳选择。

而对于数值模拟方法而言，复杂设备建模、颗粒与复杂设备之间的接触判断、得到工程应用需要的目标参数、实际模拟过程可视化等都是不小的挑战。

综合考虑数值模拟方法的适用性和计算效率，我们采用DEMSLab软件进行计算机模拟研究。

03 DEMSLab软件介绍及模拟参数

DEMSLab软件支持通用CAD软件建模，因此无论多复杂的设备都可以完美地在软件中呈现。在本研究中，由于设备模型比较复杂，借助UG NX建模，通过输出STL文件转换并导入DEMSLab软件。双螺旋锥形混合器的模型以及模拟过程如图2所示（设备尺寸根据相关标准给定，见表1）。

DEMSLab软件本身提供了不少常用的分析参数，为分析数据提供便利。比如一些总体的设备运行参数监测：总体颗粒数目、颗粒碰撞次数、Lacey混合指数、设备功率等，如图3（左）所示。又如一些自己特需的分析参数：设备磨损、颗粒平均速度、颗粒平均角速度、接触力等，如图3（右）所示。当然，我们也可以通过输出颗粒位置、速度、角速度等，来自行计算需要的参数。本研究，主要用到Lacey混合指数、功率、设备磨损等参数。

另外，DEMSLab软件拥有强大的图形交互界面。我们可以非常容易地得到可以直接用于论文出版的清晰高质量的图片，如图2所示即为直接从软件中获得的设备图。同时，我们也可以得到计算过程中任意时刻任意位置的模拟图，对于工程问题的分析带来极大的便利。

综上，DEMSLab软件可以模拟混合器的实际运行过程及其中的颗粒物料的运动行为，以帮助工程师对这类装备进行优化设计及帮助设备操作人员改进工艺流程及操作参数，提高设备的运行效率。

04 计算结果分析

4.1 混合效率分析

为了研究不同自转公转速度对设备混合效率的影响，我们选取了如表2所示的17组工况进行模拟研究。通过模拟发现，当自转公转速度达到一定比例的时候，在同一公转速度下，模拟的混合效率最佳。如图4所示为达到最佳混合状态的3组工况对比图，我们可以发现虽然3组工况都能够达到较高的混合指数，但是自转速度越高达到最终混合指数的时间更短，具有更高效率。

4.2 局部混合效率分析

为了分析双螺旋混合器局部混合颗粒物料的能力，我们重点关注了混合器中部和底部两个局部位置，如图5所示。通过对特定位置颗粒信息的分析，我们可以得到采用双螺旋混合器进行混合具有较高均质性的结论。

4.3 设备功率分析

设备功率问题是工业上十分关注的，因此我们通过DEMSLab自带的功率监测功能得到设备功率，如图6所示。通过对设备功率的分析，我们得知公转速度的大小对设备功率的影响较小，相反随着自转速度的增大，设备功率消耗增大。

4.4 设备磨损分析

工业过程中也十分关注设备的磨损，我们也做了混合器的磨损分析。如图7所示，为双螺旋桨表面磨损分布云图。通过分析，我们可以得到双螺旋桨的边缘部分在设备运行过程中最容易磨损。这也是我们容易理解的现象，由于桨缘较薄，当其在大量颗粒包围的环境中旋转时，容易和颗粒发生较强的相互作用。

05 结论

本文以研究双螺旋锥形混合器混合效率为例，介绍了DEMSLab软件在工程模拟中的应用。通过采用DEMSLab软件的模拟分析，我们可以得到以下结论：

1）双螺旋混合器具有很好的混合能力。无论是整体颗粒的混合还是局部颗粒的混合，双螺旋混合器都具有很高的效率。

2）螺旋自转公转速度对设备的混合能力都有影响。当自转公转速度达到一定比例时，设备具有最佳的混合效率。

3）公转速度的大小对设备功率的影响较小，相反随着自转速度的增大，设备功率消耗增大。结合设备功率以及设备混合效率，可以选出最适宜工业混合的工况。

4）螺旋叶片的边缘是最容易发生磨损的部位，在实际制造中，应当加强该部位的抗磨损能力。