基于CFD-DEM的转鼓混合机颗粒混合性能预测方法

本发明涉及颗粒混合性能预测，尤其涉及一种基于cfd-dem的转鼓混合机颗粒混合性能预测方法。

背景技术：

1、在工业领域，转鼓混合机是一种用于混合并搅拌材料的设备，其主要组件包括沿其轴线旋转的圆柱形的滚筒、以及设置在该滚筒的内部的隔板。该转鼓混合机通过旋转来不断地提升和搅动材料，使得材料形成搅拌均匀一致的混合物。转鼓混合机适用于对颗粒、干粉等多种材料的处理，广泛应用于需要对材料进行均匀一致的混合从而支持制造过程的行业，包括化工、制药、食品加工、以及建筑等行业。

2、转鼓混合机的混合效率通常取决于滚筒的设计、转速、搅拌时间、混合材料属性、以及材料装载比例等因素。其中，滚筒的设计包括设置在其内表面上的隔板的形状、大小、以及排列方式，在决定材料的混合效率的过程中起着关键作用；同时，转速和搅拌时间会影响混合的均匀程度和能耗。

3、由于转鼓混合机在混合过程中的强动态特性，因此如何更深入地理解系统复杂行为的作用机理，以及如何更好地实现提升混合均匀性并降低能耗的目标，一直是颗粒动力学领域的重要研究课题之一。常规的实验方法通过集成传感器以实时监测混合过程，并通过在滚筒的内部的不同位置和不同深度取样以进行光谱或成像分析，从而评估混合均匀性，进而获得系统的动态性能。但这种方法需要投入大量的人力和物力资源来探索不同的设计配置、操作条件、以及材料属性，并且现阶段的测试技术对实验环境的要求较高，从而对在实际应用中测量滚筒的内部形成了一定的制约。所以，目前的实验方法需要对实际系统进行复杂的取样分析，不仅实验条件有限制，而且会花费大量的人力、物力资源。

4、与实验方法相对应的是数值模拟方法。数值模拟方法通常使用颗粒动力学模型和数值计算来分析滚筒内的材料的行为，使得设计人员能够在无需构造物理原型机的情况下对系统的混合效率、均匀性、以及其他相关参数进行研究和优化，并且不受实验技术的限制。然而，现有的数值模拟方法通常局限于颗粒的动力学模拟，而忽略了混合过程中滚筒内的连续相的湍流运动与离散相的固体颗粒的运动之间的耦合作用，从而影响系统模拟的准确性。所以，目前的数值模拟方法难以对转鼓混合机中的颗粒的混合性能进行准确预测。

5、因此，现有技术还有待改进。

技术实现思路

1、针对现有技术缺陷，本发明提供一种基于计算流体力学（computational fluiddynamics，cfd）-离散单元法（discrete element method，dem）的转鼓混合机颗粒混合性能预测方法，旨在解决现有的数值模拟方法难以对转鼓混合机中的颗粒的混合性能进行准确预测的技术问题。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种基于cfd-dem的转鼓混合机颗粒混合性能预测方法，包括：

4、获取转鼓混合机的几何参数；

5、获取所述转鼓混合机中的连续相的连续相初始状态、以及所述转鼓混合机中的颗粒的颗粒初始状态；

6、以所述连续相初始状态作为当前时间步连续相初始状态，并以所述颗粒初始状态作为当前时间步颗粒初始状态，进行当前时间步处理，所述当前时间步处理包括：

7、利用所述几何参数和所述当前时间步连续相初始状态，得到所述连续相的连续相湍流方程；

8、在所述连续相湍流方程收敛后，计算所述颗粒对所述连续相的第二作用力；根据所述第二作用力，更新所述当前时间步连续相初始状态，得到更新后的连续相状态；

9、计算所述连续相对所述颗粒的第一作用力和第一作用力矩，并计算所述颗粒与所述颗粒之间、以及所述颗粒与所述转鼓混合机的内壁之间的接触力和接触力矩；

10、根据所述第一作用力、所述第一作用力矩、所述接触力、以及所述接触力矩，更新所述当前时间步颗粒初始状态，得到更新后的颗粒状态；

11、利用所述更新后的颗粒状态，计算所述颗粒的颗粒混合指数，结束所述当前时间步处理；

12、利用所述更新后的连续相状态、以及所述颗粒混合指数，得到所述颗粒的混合性能预测结果。

13、在一些实施例中，在所述结束所述当前时间步处理后，还包括：

14、利用所述更新后的连续相状态替换所述当前时间步连续相初始状态，利用所述更新后的颗粒状态替换所述当前时间步颗粒初始状态；

15、重复所述当前时间步处理的步骤；

16、在达到预定时间步后，输出所述连续相的最终连续相状态、以及所述颗粒的最终颗粒混合指数；

17、利用所述最终连续相状态和所述最终颗粒混合指数，得到所述颗粒的所述混合性能预测结果。

18、在一些实施例中，所述几何参数包括：转鼓混合机内径、转鼓混合机轴向长度、转鼓混合机转速、转鼓混合机旋转方向、隔板类型、隔板数目、隔板高度、隔板宽度、以及隔板的轴向长度；

19、所述连续相初始状态包括：连续相密度、连续相动力粘性系数、连续相初始速度、以及连续相初始压力；

20、所述颗粒初始状态包括：颗粒密度、颗粒直径、颗粒数目、颗粒质量、颗粒堆积体积分数、颗粒堆积高度、颗粒杨氏模量、颗粒恢复系数、颗粒摩擦系数、颗粒初始位置、颗粒初始平动速度、颗粒初始旋转角度、以及颗粒初始角速度。

21、在一些实施例中，所述隔板类型包括扭角隔板和平直隔板；当所述隔板类型为扭角隔板时，所述几何参数还包括所述扭角隔板的扭角。

22、在一些实施例中，所述利用所述几何参数和所述当前时间步连续相初始状态，得到所述连续相的所述连续相湍流方程的步骤包括a步骤：

23、利用所述当前时间步连续相初始状态，得到所述连续相的湍流动量守恒方程、以及湍流质量守恒方程；

24、根据rng模型，得到所述连续相的湍流动能输运方程、以及湍流动能耗散率输运方程；其中，所述湍流动量守恒方程、所述湍流质量守恒方程、所述湍流动能输运方程、以及所述湍流动能耗散率输运方程即为所述连续相湍流方程；

25、利用所述几何参数，划分网格，得到所述网格的网格参数；利用所述网格参数、以及所述当前时间步连续相初始状态，得到无滑移边界条件：

26、根据所述rng模型，结合所述无滑移边界条件，求解所述湍流动量守恒方程、以及所述湍流质量守恒方程，更新所述当前时间步连续相初始状态，得到更新后的当前时间步连续相状态；

27、求解所述湍流动量守恒方程、所述湍流质量守恒方程、所述湍流动能输运方程、以及所述湍流动能耗散率输运方程，得到所述湍流动量守恒方程、所述湍流质量守恒方程、所述湍流动能输运方程、以及所述湍流动能耗散率输运方程的残差，当所述残差均小于对应的预设的残差阈值时，所述连续相湍流方程收敛。

28、在一些实施例中，所述利用所述几何参数和所述当前时间步连续相初始状态，得到所述连续相的所述连续相湍流方程的步骤还包括：

29、当所述残差中的至少一个大于或等于对应的所述残差阈值时，利用所述更新后的当前时间步连续相状态替换所述当前时间步连续相初始状态；

30、重复所述a步骤；

31、在所述残差均小于对应的所述残差阈值后，或者，在达到预设的所述重复的次数上限后，输出最终的当前时间步连续相状态。

32、在一些实施例中，在输出所述最终的当前时间步连续相状态后，还包括：

33、根据浸没边界法，利用所述几何参数、所述最终的当前时间步连续相状态、以及所述当前时间步颗粒初始状态，计算所述第二作用力。

34、在一些实施例中，所述计算所述连续相对所述颗粒的所述第一作用力和所述第一作用力矩，并计算所述颗粒与所述颗粒之间、以及所述颗粒与所述转鼓混合机的所述内壁之间的所述接触力和所述接触力矩的步骤包括：

35、根据浸没边界法，计算所述连续相对所述颗粒的所述第一作用力和所述第一作用力矩；

36、根据离散单元法，计算所述颗粒与所述颗粒之间和所述颗粒与所述转鼓混合机的所述内壁之间的法向接触力、切向接触力、以及对应所述切向接触力的切向接触力矩；其中，所述法向接触力垂直于所述颗粒与所述颗粒之间或者所述颗粒与所述转鼓混合机的所述内壁之间的接触平面，所述切向接触力平行于所述接触平面；

37、其中，所述法向接触力和所述切向接触力即为所述接触力，所述切向接触力矩即为所述接触力矩。

38、在一些实施例中，所述根据所述第一作用力、所述第一作用力矩、所述接触力、以及所述接触力矩，更新所述当前时间步颗粒初始状态，得到所述更新后的颗粒状态的步骤包括：

39、利用所述第一作用力、所述第一作用力矩、所述接触力、以及所述接触力矩，计算所述颗粒的在后一时间步的颗粒位置、颗粒平动速度、颗粒旋转角度、以及颗粒角速度；其中，所述后一时间步为与所述当前时间步相邻的下一个时间步；

40、根据所述颗粒位置、所述颗粒平动速度、所述颗粒旋转角度、以及所述颗粒角速度，更新所述当前时间步颗粒初始状态，得到所述更新后的颗粒状态。

41、在一些实施例中，所述利用所述更新后的颗粒状态，计算所述颗粒的所述颗粒混合指数，结束所述当前时间步处理的步骤包括：

42、利用所述更新后的颗粒状态，根据样本方差法，计算所述颗粒的所述颗粒混合指数，结束所述当前时间步处理；

43、其中，所述更新后的颗粒状态包括所述颗粒的在后一时间步的颗粒位置，所述后一时间步为与所述当前时间步相邻的下一个时间步。

44、有益效果：

45、本发明提供一种基于cfd-dem的转鼓混合机颗粒混合性能预测方法，采用计算流体力学和离散单元法对转鼓混合机的动态混合过程进行数值模拟，并结合离散相颗粒与连续相湍流、颗粒与颗粒、以及颗粒与壁面之间的相互作用力进行准确建模计算，从而预测颗粒的混合状态分布。本方法具体采用计算流体力学对转鼓混合机的滚筒中的连续相进行模拟，同时结合离散单元法，使用颗粒动力学模型以追踪颗粒之间、颗粒与滚筒的内表面之间、以及颗粒与隔板的外表面之间的接触互动，从而获得颗粒的混合分布状态。本方法无需对实际系统进行复杂的取样分析，避免实验条件的限制，节省大量的人力、物力资源；同时，本发明准确考虑了连续相的湍流运动与离散相的固体颗粒运动的耦合作用，是一种获得转鼓混合机的混合效率和均匀性等动态特性的新方法，从而为更好地开发和优化转鼓混合机的应用，并实现提升混合均匀性和降低系统能耗的目标，提供了理论基础和新的技术手段。