EDEM-CFD案例：工業氣力輸送系統料倉供料過程

氣力輸送系統在工業運輸過程存在栓流、堆積和堵塞等挑戰，導致控制程度降低、產品質量下降以及維護成本增加。這些問題在細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，其中結拱問題會導致供料不連續和壓力激增。

因此，了解操作參數和物料特性之間的復雜相互作用關系，能夠有效改善其工藝過程。

與Novo Nordisk合作對氣力輸送系統料倉供料過程進行建模，目的是將系統性能與壓降和粉末流動性聯系起來。使用 EDEM-CFD 雙向耦合建模方法對氣力輸送等多相系統進行數值模擬分析，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-內聚行為
• 使用微晶纖維素（MCC）的直剪實驗數據作為搜索條件，從EDEM粉體數據庫中選擇顆粒模型
• 粉末顆粒與料斗壁面的相互作用參數通過滑動角實驗進行校準

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

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

圖1：EDEM與CFD耦合，對氣力輸送系統料倉供料進行建模

通過對比料倉供料過程微晶纖維素質量流量的實驗數據和仿真數據，驗證了仿真模型預測的準確性。

與實驗的驗證對標考慮了完全關閉和完全打開氣閥的情況，以涵蓋系統中的極端壓降，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：表1為仿真預測的質量流量和實驗測量的質量流量數據對比，具有良好的一致性。

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

這些觀察結果都表明了該建模方法的有效性。

表1：仿真與實驗轉運粉末質量的對比

圖2：關閉氣閥23kPa壓降下的氣流速度大小和顆粒體積分數云圖

圖3：打開氣閥2kPa壓降下的氣流速度大小和顆粒體積分數云圖

利用關閉氣閥的EDEM-CFD仿真模型分析壓降和物料流動性之間的關聯性。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仿真結果揭示了料倉供料過程的物料流動行為，其特征是從連續供料轉變為間歇結拱。這是出口壓力和粉末流動性之間復雜的相互作用造成的，其中包括供料過程粉末床中的固結應力增加以及拱形區域中塊狀物料強度的增加。

在拱形坍塌的下游，可以觀察到出口區域的固結應力顯著增加，這可能導致不必要的團聚和物料堆積。這與在管道彎頭區域內物料堆積的實驗觀察結果一致。

圖4：料倉供料過程的間歇結拱現象

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

圖5：中流動性物料在不同壓降下的質量流量預測

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

拱形區域的穩定性隨著物料內聚力的增加而增加，這導致低流動性物料即使在低壓降下也會產生高度不連續供料的流動行為。

圖6：兩種不同流動性物料在20kPa壓降下的質量流量預測

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料倉供料過程流動性差甚至間歇結拱的問題。通過EDEM與CFD耦合，能夠定量定性地考慮壓降、固結應力和粉末流動性之間的關系，進一步改善工藝過程。