PDF《秸秆固态发酵回转筒内颗粒混合状态离散元参数标定س》

1 ) I i d ω i d t =∑ i ( R i F s i j-μ r R i | F n i j | ω i ) (

2 ) 式中 mi ― ― ―颗粒 i 质量 v i ― ― ―颗粒 i 速度 ω i ― ― ―颗粒 i 角速度 μ r ― ― ―滚动摩擦因数 I i ― ― ―颗粒 i 转动惯量 R i ― ― ―接触点到 颗粒i中心 的矢量, 大小为 颗粒半径 F n i j ― ― ―颗粒 i 与颗粒 j 间的接触正应力 F s i j ― ― ―颗粒 i 与颗粒 j 间的接触切应力 本文颗粒接触模型采用HertzMi n d l i n ( n os l i p ) 模型, 正应力与正向位移的关系为 F n i j=-K n δ

3 /

2 n (

3 ) K n =

4 3 E e q R eq(4)式中 δ n ― ― ―正向位移 K n ― ― ―弹性常数 E e q ― ― ―等效弹性模量 R e q ― ― ―等效半径 接触模型中对切向力的处理, 忽略了微滑移现 象, 切向力与切向位移关系为 F s i j=-K t

0 δ t (

5 ) K t

0 =

8 G e q R e q δ n(6)式中 δ t ― ― ―切向位移 K t

0 ― ― ―初始弹性常量 G e q ― ― ―等效剪切模量 考虑颗粒间粘聚力, 本文粘性模型采用 L i n e a r C o h e s i o n模型, 即对 H e r t z Mi n d l i n ( n os l i p ) 接触模 型增加法向结合力 F=k A (

7 ) 式中 k ― ― ―黏附能量密度 A ― ― ―颗粒间接触面积

1

2 模拟条件 为了减少计算量, 同时重点研究回转式发酵器 横向颗粒混合运动状态, 简化了回转筒设备的几何 模型.采用 E D E M对水平短筒进行仿真, 其轴向采 用周期边界方法( P B C ) , 忽略端板效应的影响.采 用杆状颗粒, 其长径比为

8 .基本参数见表

1 . 表1模拟相关参数 T a b .

1 S i mu l a t i o np a r a me t e r s 参数 数值 回转筒直径 D/ m m

4 0

0 回转筒长度 L / m m

5 0 填充率 f / %

2 0 回转筒转速 n / ( r ・m i n -

1 )

1 0 原型颗粒直径 φ 0/ m m

2 原型颗粒长度 L 0/ m m

1 6 颗粒总数 N

6 2

0 0 颗粒粒径分布 R a n d o m (

1 ,

1

2 ) 颗粒剪切模量 / ( N ・m-

2 ) 1*

1 0

5 颗粒泊松比

0

2 5 壁面材料密度 / ( k g ・m-

3 )

7 8

7 0 壁面材料剪切模量 / ( N ・m-

2 ) 1*

1 0

1 0 壁面材料泊松比

0

3 时间步长 Δ t / s

1 9*

1 0 -

5 1

3 混合状态定量分析方法 离散元法易从颗粒尺度获取颗粒运动的定量信 息, 可通过 颗粒间接触数、 l a c e y指数、 混合熵等参量[

1 3-1

4 ] 对混合状态进行定量分析, 而实验无法获得 这些参量, 即无法利用实验结果对离散元法进行定

9 0

2 第 3期 冯俊小 等:秸秆固态发酵回转筒内颗粒混合状态离散元参数标定 量验证.E D E M 仿真结果见 图1,为了能 使用 实验 结果对仿真进行验证, 需使用统一的指标定量表征 颗粒混合特性.混合状态的评价要求混合物组分间 具有明显的理化性质差异且这 种 差异 能够 精确检 测[

1 5 ] , 本文基于图像处理法, 对颗粒的混合过程进 行定量描述.实验时将秸秆颗粒染色分组, 在透明 转筒运行时对其横截面连续拍照, 得到颗粒横向混 合运动变化图, 从而分析其混合过程. 图1不同时刻回转式发酵器内杆状颗粒混合情况 F i g .

1 D y n a m i cm i x i n go f s l e n d e r p a r t i c l ei na r o t a r yd r u m a t d i f f e r e n t t i m e s ( a )0s ( b )4 6s ( c )1 6s ( d )3

2 4s 混合状态分析时, 根据实验和仿真获得的颗粒 横向混合运动变化图像, 统一限定图像处理的计算 域, 然后对计算域内像素点进行分组, 完成子域的划 分, 根据子域内颜色比例区分颗粒是否已混合.如图2所示, 约定目标颗粒, 规定当子域中目标颗粒的 像素数占比大于