一种模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法

摘要

本发明涉及一种模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法，属气力输送、农业机械、流化床领域。本发明通过三维建模模拟悬浮试验台，再把锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数导入离散元分析软件中，完成颗粒场的建立；将锥形筒模型导入网格划分软件中进行网格划分；将划分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件中，完成流场的建立；通过离散元分析软件与流体力学软件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验模拟来得到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、空气流动的速度；将得出的颗粒物料的速度以及空气流动的速度的信息进行后处理分析来得到颗粒悬浮速度。本发明方便的预测出试验很难观测的不同体积分数下颗粒物料的悬浮速度，且降低了试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法，属于气力输送、农业机械、流化床 技术领域。

背景技术

颗粒群悬浮速度的测定，属于气固两相流问题，气固两相流的研究广泛应用于气力输送、 农业机械、流化床等领域，由于颗粒介质的特殊性，它区别于流体和固体，因此对于颗粒系 统的研究已成为当前国内外研究的热点，并且具有很重要的科学意义和工程应用价值。

在研究气力播种、输送和种子清选时，运用模拟仿真的方法对颗粒群悬浮速度的测量则 鲜有研究。而且当颗粒体积分数增大后，试验很难测定此时的流体流速。很多情况下都涉及 到种子颗粒群的悬浮速度，而且颗粒群的悬浮速度很难通过试验台来测量得出，所以有必要 开展种子颗粒群悬浮速度模拟预测方法研究。

发明内容

本发明提供了一种模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法，以用于解决当颗粒体积分数增大 后，试验很难测定此时的流体流速，以及当涉及到测量种子颗粒群时，其悬浮速度很难通过 试验台来测量的情况，同时解决了当颗粒物料形状不规则，在测量悬浮速度时会出现上下跳 动而难以准确测量的情况，也为悬浮速度流场的分析以及颗粒物料的运动规律的分析提供了 一种直观、有效的方法。此方法能方便的预测出试验很难观测的不同体积分数下颗粒物料的 悬浮速度，且降低了试验成本。

本发明模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法是这样实现的：首先通过三维建模模拟悬浮试 验台，对试验台关键部分锥形筒进行尺寸测量，根据测得实际数据进行锥形筒三维建模，通 过测量得出颗粒物料的物理参数，将得到的锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数导入离散 元分析软件中，完成颗粒场的建立；将锥形筒模型导入网格划分软件中进行网格划分；将划 分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件中，设置流场边界条件，完成流场的建立；在离 散元分析软件中设置颗粒场模拟过程的时间步长，在流体力学软件中设置流场模拟过程的时 间步长；通过离散元分析软件与流体力学软件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验模拟来得 到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、空气流动的速度；将模拟过程中得出的颗粒物料 的速度以及空气流动的速度的信息进行后处理分析，通过后处理添加速度探针，找出颗粒物 料在自身的重力和流动空气的浮力作用下处于悬浮状态时，以及此时颗粒物料处的空气流速， 那么此时、此处空气流速即为颗粒悬浮速度。

所述模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法的具体步骤如下：

Step1、通过三维建模模拟悬浮试验台；具体过程为先对试验台关键部分锥形筒进行尺寸 测量，根据测得实际数据进行锥形筒三维建模；

Step2、通过测量得出颗粒物料的物理参数，包括物料的密度、泊松比、剪切模量、摩擦 系数；

Step3、将得到的锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数导入离散元分析软件中，完成颗 粒场的建立；

Step4、将锥形筒模型导入网格划分软件中进行网格划分；

Step5、将划分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件中，根据锥形筒入口、出口的尺 寸，以及测量悬浮试验台试验时的风速，设置流场边界条件，完成流场的建立；

Step6、在离散元分析软件中设置颗粒场模拟过程的时间步长，在流体力学软件中设置流 场模拟过程的时间步长，流场模拟过程的时间步长为颗粒场模拟过程时间步长的整数倍；

Step7、通过离散元分析软件与流体力学软件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验模拟来 得到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、空气流动的速度；其中，离散元分析软件提供 颗粒物料之间的接触力以及位置信息的位置数据，流体力学软件提供锥形筒内空气流动的信 息，两个软件的信息进行时时交换；

Step8、将模拟过程中得出的颗粒物料的速度以及空气流动的速度的信息进行后处理分 析，通过后处理添加速度探针，找出不同时刻颗粒的速度以及颗粒物料处的空气流速，即可 得出某一时间某一位置的空气流速；

Step9、通过步骤Step8中所得的某一时间某一位置的空气流速，找出颗粒物料在自身的 重力和流动空气的浮力作用下处于悬浮状态时，以及此时颗粒物料处的空气流速，那么此时、 此处空气流速即为颗粒悬浮速度。

所述步骤Step4中，对锥形筒进行网格划分是用于获取其内部流场的信息，便于提供更 加准确的流场，所述步骤Step5中，采用流体力学软件为颗粒悬浮速度模拟试验提供空气流 场。

所述步骤Step7中，离散元分析软件提供颗粒物料之间的接触力以及位置信息的位置数 据，并将此数据传递给流体力学软件，流体力学软件根据此时的位置信息模拟流场情况，再 将流场信息传递到离散元分析软件中，离散元分析软件根据流场信息作用在颗粒体上，颗粒 体在流场力和自身重力的作用下产生运动，得出颗粒体运动后瞬间位置信息，再将此时位置 传递到流体力学软件中，依次循环，完成模拟全过程。

本发明利用离散元分析软件模拟颗粒物料的几何尺寸和基本物料参数，采用流体力学软 件为悬浮速度模拟试验提供空气流场(如图3)；

所述步骤Step7中，所述颗粒悬浮速度实验模拟时，将颗粒物料置于悬浮试验台的锥形 筒内(如图2)，空气从锥形筒的下端进入，从上端出去，颗粒物料在自身的重力和流动空气 的浮力作用下处于悬浮状态(如图4)，此时的颗粒物料处的空气流速即为颗粒物料的悬浮速 度(如图5)。

本发明的有益效果是：

1、本发明有效解决因颗粒物料体积分数增大试验很难测定悬浮速度的情况，方便的预测出试 验很难观测的不同体积分数下颗粒物料的悬浮速度；

2、本发明有效解决当测量颗粒群时很难准确观测到颗粒悬浮情况；

3、本发明有效解决当颗粒物料形状不规则，在测量悬浮速度时会出现上下跳动而难以准确测 量的情况；

4、本发明为悬浮速度流场的分析以及颗粒物料的运动规律的分析提供了一种直观、有效的方 法；

5、本发明避免了因试验测量是的颗粒物料失去活性的情况；

6、本发明避免了因需测量不同品种物料而多次购买和反复试验的麻烦，降低了试验成本。

附图说明

图1表示本发明的流程图；

图2表示模拟颗粒物料在悬浮试验台的锥形筒内运动某一时刻的图；

图3表示通过流体力学分析软件得出的流场图；

图4表示处于悬浮状态下不同位置处颗粒物料的运动速度图；

图5表示通过后处理软件测得悬浮状态下颗粒物料处的空气流速和颗粒物料自身的运动 速度图。

具体实施方式

实施例1：如图1-5所示，一种模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法，首先通过三维建模模 拟悬浮试验台，对试验台关键部分锥形筒进行尺寸测量，根据测得实际数据进行锥形筒三维 建模，通过测量得出颗粒物料的物理参数，将得到的锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数 导入离散元分析软件中，完成颗粒场的建立；将锥形筒模型导入网格划分软件中进行网格划 分；将划分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件中，设置流场边界条件，完成流场的建 立；在离散元分析软件中设置颗粒场模拟过程的时间步长，在流体力学软件中设置流场模拟 过程的时间步长；通过离散元分析软件与流体力学软件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验 模拟来得到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、空气流动的速度；将模拟过程中得出的 颗粒物料的速度以及空气流动的速度的信息进行后处理分析，通过后处理添加速度探针，找 出颗粒物料在自身的重力和流动空气的浮力作用下处于悬浮状态时，以及此时颗粒物料处的 空气流速，那么此时、此处空气流速即为颗粒悬浮速度。

所述模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法的具体步骤如下：

Step1、通过三维建模模拟悬浮试验台；具体过程为先对试验台关键部分锥形筒进行尺寸 测量，根据测得实际数据进行锥形筒三维建模；

Step2、通过测量得出颗粒物料的物理参数，包括物料的密度、泊松比、剪切模量、摩擦 系数；

Step3、将得到的锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数导入离散元分析软件中，完成颗 粒场的建立；

Step4、将锥形筒模型导入网格划分软件中进行网格划分；

Step5、将划分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件中，根据锥形筒入口、出口的尺 寸，以及测量悬浮试验台试验时的风速，设置流场边界条件，完成流场的建立；

Step6、在离散元分析软件中设置颗粒场模拟过程的时间步长，在流体力学软件中设置流 场模拟过程的时间步长，流场模拟过程的时间步长为颗粒场模拟过程时间步长的整数倍；

Step7、通过离散元分析软件与流体力学软件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验模拟来 得到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、空气流动的速度；其中，离散元分析软件提供 颗粒物料之间的接触力以及位置信息的位置数据，流体力学软件提供锥形筒内空气流动的信 息，两个软件的信息进行时时交换；

Step8、将模拟过程中得出的颗粒物料的速度以及空气流动的速度的信息进行后处理分 析，通过后处理添加速度探针，找出不同时刻颗粒的速度以及颗粒物料处的空气流速，即可 得出某一时间某一位置的空气流速；

Step9、通过步骤Step8中所得的某一时间某一位置的空气流速，找出颗粒物料在自身的 重力和流动空气的浮力作用下处于悬浮状态时，以及此时颗粒物料处的空气流速，那么此时、 此处空气流速即为颗粒悬浮速度。

所述步骤Step4中，对锥形筒进行网格划分是用于获取其内部流场的信息，便于提供更 加准确的流场，所述步骤Step5中，采用流体力学软件为颗粒悬浮速度模拟试验提供空气流 场。

所述步骤Step7中，离散元分析软件提供颗粒物料之间的接触力以及位置信息的位置数 据，并将此数据传递给流体力学软件，流体力学软件根据此时的位置信息模拟流场情况，再 将流场信息传递到离散元分析软件中，离散元分析软件根据流场信息作用在颗粒体上，颗粒 体在流场力和自身重力的作用下产生运动，得出颗粒体运动后瞬间位置信息，再将此时位置 传递到流体力学软件中，依次循环，完成模拟全过程。

所述步骤Step7中，所述颗粒悬浮速度实验模拟时，将颗粒物料置于悬浮试验台的锥形 筒内，空气从锥形筒的下端进入，从上端出去，颗粒物料在自身的重力和流动空气的浮力作 用下处于悬浮状态，此时的颗粒物料处的空气流速即为颗粒物料的悬浮速度。

实施例2：如图1-5所示，一种模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法，以云南名贵中草药三 七种子颗粒为例，首先通过三维建模模拟悬浮试验台，对试验台关键部分锥形筒进行尺寸测 量，根据测得实际数据进行锥形筒三维建模，通过测量得出颗粒物料的物理参数，将得到的 锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数导入离散元分析软件中，完成颗粒场的建立；将锥形 筒模型导入网格划分软件中进行网格划分；将划分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件 中，设置流场边界条件，完成流场的建立；在离散元分析软件中设置颗粒场模拟过程的时间 步长，在流体力学软件中设置流场模拟过程的时间步长；通过离散元分析软件与流体力学软 件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验模拟来得到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、 空气流动的速度；将模拟过程中得出的颗粒物料的速度以及空气流动的速度的信息进行后处 理分析，通过后处理添加速度探针，找出颗粒物料在自身的重力和流动空气的浮力作用下处 于悬浮状态时，以及此时颗粒物料处的空气流速，那么此时、此处空气流速即为颗粒悬浮速 度。

所述模拟预测颗粒物料悬浮速度的方法的具体步骤如下：

Step1、通过三维建模模拟悬浮试验台；具体过程为先对试验台关键部分锥形筒(如图2) 进行尺寸测量，得出锥形筒下端小圆直径为190mm，上端大圆直径为270mm，总高为800mm， 根据测得实际数据进行锥形筒三维建模；

Step2、通过测量得出颗粒物料的物理参数，包括物料的密度、泊松比、剪切模量、摩擦 系数，具体数值见表1：

表1三七种子物料参数

Step3、将得到的锥形筒三维模型和颗粒物料的物理参数导入离散元分析软件中，完成颗 粒场的建立；

Step4、将锥形筒模型导入网格划分软件中进行网格划分；

Step5、将划分好网格的锥形筒模型导入到流体力学软件中，根据锥形筒入口、出口的尺 寸，以及测量悬浮试验台试验时的风速，设置流场边界条件，完成流场的建立，具体数值见 表2：

表2流场参数

参数 数值 雷诺数 137500 湍流强度 3.65 湍动能 0.20 湍流耗散率 0.93

Step6、在离散元分析软件中设置颗粒场模拟过程的时间步长为2.45e^-6，在流体力学软件 中设置流场模拟过程的时间步长为2.45e^-4，流场模拟过程的时间步长为颗粒场模拟过程时间 步长的100倍；

Step7、通过离散元分析软件与流体力学软件两个软件耦合进行颗粒悬浮速度实验模拟来 得到悬浮颗粒悬浮状态时的颗粒物料的速度、空气流动的速度；其中，离散元分析软件提供 颗粒物料之间的接触力以及位置信息的位置数据，流体力学软件提供锥形筒内空气流动的信 息，两个软件的信息进行时时交换；

Step8、将模拟过程中得出的颗粒物料的速度以及空气流动的速度的信息进行后处理分 析，通过后处理添加速度探针，找出在第0.2s时三七颗粒物料的速度为0.0156m/s，此处的空 气流速为9.3m/s；

Step9、通过步骤Step8中所得的三七颗粒物料的速度为0.0156m/s，趋于0m/s此时三七 颗粒物料在自身的重力和流动空气的浮力作用下处于悬浮状态时，此时颗粒物料处的空气流 速为9.3m/s，那么此时、此处空气流速即为颗粒悬浮速度。

所述步骤Step4中，对锥形筒进行网格划分是用于获取其内部流场的信息，便于提供更 加准确的流场，所述步骤Step5中，采用流体力学软件为颗粒悬浮速度模拟试验提供空气流 场。

所述步骤Step7中，离散元分析软件提供颗粒物料之间的接触力以及位置信息的位置数 据，并将此数据传递给流体力学软件，流体力学软件根据此时的位置信息模拟流场情况，再 将流场信息传递到离散元分析软件中，离散元分析软件根据流场信息作用在颗粒体上，颗粒 体在流场力和自身重力的作用下产生运动，得出颗粒体运动后瞬间位置信息，再将此时位置 传递到流体力学软件中，依次循环，完成模拟全过程。

所述步骤Step7中，所述颗粒悬浮速度实验模拟时，将颗粒物料置于悬浮试验台的锥形 筒内，空气从锥形筒的下端进入，从上端出去，颗粒物料在自身的重力和流动空气的浮力作 用下处于悬浮状态，此时的颗粒物料处的空气流速即为颗粒物料的悬浮速度。

同样的方法与步骤分别对体积分数在2.58％、3.87％、5.16％、7.74％进行试验与模拟试验， 所得结果见表3：

表3试验悬浮速度与模拟悬浮速度对比表

在此实施例中，通过悬浮速度试验台进行测量具体的颗粒物料的悬浮速度，即为表3中 的试验速度，通过本方法测出来的速度即为表3中的模拟速度，我们得到了不同体积分数下 的三七颗粒物料的悬浮速度的试验值和模拟值，可以发现试验值与模拟值的趋势一致但存在 一定偏差，这主要原因在于试验过程中，当对颗粒体较多的情况下进行试验测量很难准确的 观察并找到悬浮状态的颗粒体，并且很难准确的测量出悬浮位置处的空气流速，因此存在误 差。相对于试验方法，模拟方法则可以准确、快速的找到悬浮状态的颗粒物料，并且准确的 得出其悬浮速度。

通过以上的阐述，表明使用发明提出的方法可以准确、快速的找到悬浮状态的颗粒物料， 并且准确的得出其悬浮速度，提高了精确度，避免了因颗粒物料体积分数增大试验很难测定 悬浮速度的情况和当测量颗粒群时很难准确观测到颗粒悬浮情况，以及当颗粒物料形状不规 则，在测量悬浮速度时会出现上下跳动而难以准确测量的情况，以及避免了因试验测量是的 颗粒物料失去活性的情况。与此同时，在对于不同品种颗粒物料悬浮速度测量时，避免了因 需测量不同品种物料而多次购买和反复试验的麻烦，也为悬浮速度流场的分析以及颗粒物料 的运动规律的分析提供了一种直观、有效的方法。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出 各种变化。