氣力輸送系統(tǒng)在工業(yè)運輸過程存在栓流、堆積和堵塞等挑戰(zhàn)，導(dǎo)致控制程度降低、產(chǎn)品質(zhì)量下降以及維護(hù)成本增加。這些問題在細(xì)散裝固體中尤為常見，有時可以追溯到氣力輸送管線的料斗給料機(jī)，其中結(jié)拱問題會導(dǎo)致供料不連續(xù)和壓力激增。

因此，了解操作參數(shù)和物料特性之間的復(fù)雜相互作用關(guān)系，能夠有效改善其工藝過程。

與Novo Nordisk合作對氣力輸送系統(tǒng)料倉供料過程進(jìn)行建模，目的是將系統(tǒng)性能與壓降和粉末流動性聯(lián)系起來。使用 EDEM-CFD 雙向耦合建模方法對氣力輸送等多相系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其中，在EDEM中分析散裝固體流，在CFD中分析氣流。

如圖1所示，該系統(tǒng)由一個軸對稱料斗和一個水平管組成，料斗下游有一個氣閥。

在EDEM中，通過介觀方法對散裝固體進(jìn)行建模，其中：

• 使用EEPA接觸模型模擬粉末顆粒的粘性-彈性-塑性-內(nèi)聚行為
• 使用微晶纖維素（MCC）的直剪實驗數(shù)據(jù)作為搜索條件，從EDEM粉體數(shù)據(jù)庫中選擇顆粒模型
• 粉末顆粒與料斗壁面的相互作用參數(shù)通過滑動角實驗進(jìn)行校準(zhǔn)

EDEM-CFD雙向耦合是一種基于歐拉-拉格朗日坐標(biāo)系的模擬方法，考慮顆粒運動對流體流動的影響，其中：

• 在AcuSolve中使用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對流體域進(jìn)行離散化
• 求解Navier-Stokes方程得到每個網(wǎng)格上流體的速度、密度和壓力等
• Gidaspow相關(guān)性用于計算作用在顆粒上的曳力

通過對比料倉供料過程微晶纖維素質(zhì)量流量的實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，驗證了仿真模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

與實驗的驗證對標(biāo)考慮了完全關(guān)閉和完全打開氣閥的情況，以涵蓋系統(tǒng)中的極端壓降，并在氣閥入口處施加通過實驗測量獲得的恒定空氣流速。

定量對標(biāo)：表1為仿真預(yù)測的質(zhì)量流量和實驗測量的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)對比，具有良好的一致性。

定性對標(biāo)：圖2和圖3分別為通過仿真計算獲得在關(guān)閉氣閥和打開氣閥情況下的氣流速度及顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖，其對應(yīng)的仿真物料流動行為與實驗也具有良好的一致性。

這些觀察結(jié)果都表明了該建模方法的有效性。

利用關(guān)閉氣閥的EDEM-CFD仿真模型分析壓降和物料流動性之間的關(guān)聯(lián)性。為此，模擬了不同流動性物料在不同壓降下的供料過程。

圖4仿真結(jié)果揭示了料倉供料過程的物料流動行為，其特征是從連續(xù)供料轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇結(jié)拱。這是出口壓力和粉末流動性之間復(fù)雜的相互作用造成的，其中包括供料過程粉末床中的固結(jié)應(yīng)力增加以及拱形區(qū)域中塊狀物料強(qiáng)度的增加。

在拱形坍塌的下游，可以觀察到出口區(qū)域的固結(jié)應(yīng)力顯著增加，這可能導(dǎo)致不必要的團(tuán)聚和物料堆積。這與在管道彎頭區(qū)域內(nèi)物料堆積的實驗觀察結(jié)果一致。

圖5為仿真對比中流動性物料在20kPa、40kPa、65kPa壓降下的供料質(zhì)量流量曲線。
對于中流動性物料，其供料過程的結(jié)拱傾向隨著壓降增加而增加。間歇結(jié)拱導(dǎo)致質(zhì)量流量與壓降之間存在非線性關(guān)系，質(zhì)量流量隨壓降呈亞線性增加。

圖6為仿真對比高流動性物料與低流動性物料在20kPa壓降下的供料質(zhì)量流量曲線。

拱形區(qū)域的穩(wěn)定性隨著物料內(nèi)聚力的增加而增加，這導(dǎo)致低流動性物料即使在低壓降下也會產(chǎn)生高度不連續(xù)供料的流動行為。

因此，在實際工藝操作中，簡單地增加壓降可能無法解決氣力輸送系統(tǒng)料倉供料過程流動性差甚至間歇結(jié)拱的問題。通過EDEM與CFD耦合，能夠定量定性地考慮壓降、固結(jié)應(yīng)力和粉末流動性之間的關(guān)系，進(jìn)一步改善工藝過程。