基于离散单元法的颗粒物料休止角仿真研究

摘要

颗粒物料在自然界和工程应用领域中极为普遍，休止角(repose angle)是颗粒物料的一种重要物理属性，是表征转筒类过程装备内物料状态的重要特征量。国内外学者对休止角进行了很多实验研究，但在目前的研究成果中，实验对象大部分为球形颗粒，而实际工业生产中的物料形状主要为不规则颗粒，球形颗粒的运动规律是否能够反映非球形颗粒的运动还有待于验证。此外，实验转筒的尺寸普遍偏小，与实际生产所应用的转筒尺寸有较大差别，是否能将小转筒所得到结果上推到工业尺度回转简装备中还需要进一步研究。
　　针对以上问题，本文根据实验室回转筒设备以及圆柱体颗粒物料的实际尺寸，对不同转速下(2.87rpm-17.23rpm)的颗粒物料运动过程进行DEM建模和仿真，在EDEMTM环境下完成了各模块的参数设定。搭建了相应的回转筒实验平台，来模拟转筒型过程装备中圆柱体颗粒物料的运动状态，通过图像采集装置获得物料运动的图像信息。给出了基于图像处理技术的颗粒物料动态休止角的检测算法，并基于以上算法对物料状态图像进行检测，获得不同操作参数下的颗粒物料休止角仿真实验曲线以及物理实验曲线。通过对物料状态图像、休止角动态变化曲线的对比，验证了DEM仿真结果的正确性。基于所建立的精确DEM模型，对工业尺度回转筒内的颗粒系统进行了不同实验条件下的仿真实验。研究发现，转简直径不变时，休止角随着转速的增加，由30.27±1.50度增长34.03±0.32度，有明显的上升趋势;转速不变时，随着转简直径的增加休止角由37.23±2.49度下降到28.64±0.49度，有明显的下降趋势。该结论与其他人员在小转筒内所得结论一致，证明在小转筒内所得的休止角规律可以上推至一定范围内的工业尺度转筒中。

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摘要

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附表索引

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 颗粒物料休止角的定义

1．1．2 影响休止角的因素

1．2 研究现状及存在的问题

1．2．1 研究现状

1．2．2 存在的问题

1．3 本文选题意义以及主要内容

第二章 DEM的基本原理及常用仿真软件

2．1 DEM基本原理

2．1．1 DEM的基本计算方法

2．1．2 作用力与位移的关系

2．1．3 DEM的运动方程

2．2 EDEM仿真软件简介

2．2．1 EDEM概述

2．2．2 EDEM组成模块及特点

2．2．3 EDEM的接触模型

2．3 本章小结

第三章 回转筒内柱形颗粒休止角的DEM仿真方法

3．1 转筒及柱形颗粒模型的构建

3．1．1 设置参数、物理性质和材料

3．1．2 定义基本颗粒

3．1．3 定义几何体以及创建颗粒工厂

3．2 仿真参数的设置及步骤

3．2．1 设置时步、仿真时间和栅格尺寸

3．2．2 仿真结果输出

3．3 基于EDEM仿真图像的休止角计算方法

3．4 本章小结

第四章 休止角DEM仿真模型的物理验证

4．1 实验平台搭建及数据采集

4．2 仿真结果的实验验证

4．2．1 物料的仿真图像及实物图像对比

4．2．2 物料休止角的仿真曲线与实测曲线的对比

4．3 本章小结

第五章 工业尺度回转筒内颗粒物料休止角的仿真分析

5．1 仿真实验数据的采集

5．2 转速对休止角的影响分析

5．3 转筒直径对休止角的影响分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参与的科研项目

附录