基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法技术方案

基于物料测试和DEM‑CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法以物料测试为基础，通过离散元方法（DEM）仿真模拟以及离散元方法（DEM）‑计算流体动力学（CFD）耦合仿真模拟，在设备被加工制造之前对输煤转运系统的结构进行系统性能分析，对设计方案的性能进行验证，帮助设计师寻找设备的潜在问题，最终确定最佳设计方案。

【技术实现步骤摘要】
基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法
本专利技术属于散装物料输送
，具体涉及基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法。
技术介绍
输煤转运系统中存在的问题基本上是结构设计缺陷造成的；传统设计中，转运系统的设备如“头部漏斗、溜槽和导料槽等”是根据《ＤＴⅡ型固定式带式输送机设计选用手册》进行选型，除尘器的设备选型根据经验公式计算确认；传统转运系统设计不考虑输送介质特性、物料抛出轨迹，在皮带机卸载点扔出不可控制的物料流并任由其以散开状落下，空气穿过物料流时会分散并夹带细小的粉尘颗粒，形成大量粉尘飞扬；溜槽的设计基本都是转角设计和垂直落料，容易造成物料在溜槽内速度过快冲击力大，溜槽磨损严重且容易积料甚至堵料；在落料点物料对受料皮带冲击大，容易造成物料落料不正最终导致皮带跑偏；导料槽粉尘外溢严重，转运系统环境粉尘浓度超标，严重影响操作人员的身心健康；在输煤转运系统中80%以上的停机是由于转运系统维护造成的，严重影响转运系统的运行效率，并造成不必要的经济损失。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种针对输煤转运系统结构设计定型从输送介质开始考虑，并了解物料流和管理物料流，通过科学管理物料流进而影响控制空气流，基于物料测试和DEM-CFD仿真对物料流和空气流进行系统分析，并对输煤转运系统的结构设计进行定型的方法。基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法包括以下步骤：（1）对转运系统的物料进行采集，这里的采集包括物料本性特征测试、衬板测试、离散元仿真的材料参数校验（2）采用CAD软件SolidWorks建立转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型——转运系统曲线溜槽三维结构模型（3）将采集好的物料和结构的数据以及转运系统曲线溜槽三维结构模型输入EDEM软件中，根据物料及衬板测试校验参数，建立物料颗粒工厂、物料间参数关系、物料与设备之间的参数关系，进行基于DEM的离散元方法仿真模拟（4）根据步骤（3）中得到的仿真结果同时结合溜槽设计准则对转运系统曲线溜槽三维结构模型进行结构性的分析判断，得到转运系统曲线溜槽三维结构模型是否符合要求，如果满足要求则进入步骤（5），若转运性能差不满足要求则返回步骤（2）进行模型参数的修改并重新建模（5）在转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型基础上采用CAD软件SolidWorks建立受料皮带导料槽和除尘罩几何模型——转运系统尘降和除尘结构三维模型（6）采用ANSYSICEMCFD六面体结构化网格生产软件对转运系统三维模型进行网格划分（7）对离散元软件EDEM和计算流体动力学软件Fluent参数及耦合接口设置并导入网格模型，对转运系统三维模型进行基于离散元方法（DEM）-计算流体动力学（CFD）耦合仿真模拟（8）根据步骤（7）中得到的仿真结果结合控尘设计准则对转运系统尘降和除尘结构三维模型进行流动性分析判断得到转运系统尘降和除尘结构三维模型是否满足要求，如果转运系统尘降和除尘结构三维模型满足要求，则转运系统结构设计定型，如果该三维模型无法满足要求，控尘效果差，则返回步骤（5），进行结构参数的修改并重新建立转运系统尘降和除尘结构三维模型。进一步，所述步骤（1）中的物料本性特征测试具体为根据国家标准测试物料的含水率、堆积密度、真实密度、安息角、颗粒形状特征、粒度和颗粒组成；所述步骤（1）中的衬板测试具体为衬板磨损实验和衬板冲击磨损实验；所述衬板磨损实验是为了评估不同的内衬材料的磨损性能，物料与衬板在水平圆磨损试验机上可进行时间测试；为了确定确切的磨损性能，对每个磨损衬板样品的重量损失进行监测，并可以转化为估计的预期寿命；所述衬板冲击磨损实验是为了评估不同的内衬材料的抗冲击磨损性能，物料与衬板在垂直圆磨损试验机上可进行时间测试；为了确定确切的磨损性能，每个磨损衬板样品的重量损失进行监测，并可以转化为估计的预期寿命；将衬板磨损实验和衬板冲击磨损实验实验结果结合EDEM软件仿真的磨损分析选择合理的满足实际工况的衬板材料。进一步，所述步骤（1）的离散元仿真的材料参数校验具体为：包括离散元仿真的材料参数获取和参数校验；所述离散元仿真的材料参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和JKR模型的能量密度；这些参数主要是在物料与物料之间、物料与设备之间；通过设计合适的实验平台与仿真虚拟实验进行标定；如：自由下落实验、坍塌实验、滑板实验；所述离散元仿真的材料参数校验保证仿真结果的准确性，确保仿真能够代表真实世界的物料流动行为。在仿真和真实世界之间建立联系的关键就是离散元仿真的材料参数校验。进一步，所述离散元方法仿真模拟具体为：（1）几何模型建立采用CAD软件SolidWorks建立转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型；（2）设置材料和定义颗粒设置设备及物料颗粒的材料本征参数，接触模型选择Hertz-Mindlin模型，根据离散元仿真的材料参数校验设置物料之间以及物料与设备之间的基本接触参数和接触模型参数；定义颗粒的形状特征及粒度分布；（3）定义几何模型运动特征导入几何模型，定义皮带、滚筒和曲线溜槽的材料及运动特征；（4）设置颗粒工厂根据皮带输送量、带速在卸料皮带头部设置颗粒工厂；（5）对输煤转运系统进行离散元仿真求解；设置仿真时间及保存时间间隔，对输煤转运系统方案几何模型进行离散元仿真求解；（6）EDEM后处理。进一步，所述离散元方法（DEM）-计算流体动力学（CFD）耦合仿真模拟具体为：（1）几何模型建立在转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型基础上采用CAD软件SolidWorks建立受料皮带导料槽和除尘罩几何模型；（2）网格划分采用ANSYSICEMCFD六面体结构化网格生产软件对输煤系统几何模型进行网格划分；（3）EDEM中设置仿真参数参照离散元方法（DEM）仿真模拟具体步骤；最后打开耦合接口；（4）Fluent中设置仿真参数及边界条件湍流模型选用Realizablek-epsilon/Standardwallfunctions；卸料皮带头部护罩设置为速度入口，导料槽出口和除尘罩设置为压力出口；受料皮带单独设置为WALL边界条件，并在求解时设置其运动速度；（5）设置耦合参数耦合模型采用Eulerian-Eulerian，曳力模型采用ErgunandWen&Yu，定义材料物性为空气，设置松弛因子；（6）设置时间Fluent的时间步长应该为EDEM的时间步长的整数倍；（7）对输煤转运系统进行离散元方法（DEM）-计算流体动力学（CFD）耦合仿真模拟求解；（8）Fluent后处理；过程中EDEM软件负责颗粒的运行轨迹计算，FLUENT软件负责计算流体流场，两者在耦合模型中进行质量、动量和能量等信息的双向传递，从而实现耦合。进一步，所述步骤（4）中的溜槽设计准则具体为：（1）管理物料流关键步骤是通过溜槽管理物料流。尽量减小物料流对曲线溜槽壁冲击的角度和力量，减少冲击产生的粉尘，同时尽可能保持动量。理论上，冲击角度不能超过15至20度；（2）控制物料速度如果物料的速度太高意味着更高的磨损；如果物料的速度太低，粘性物料可能积料并堵塞。因此，针对所处理的物料合理控制物料速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于物料测试和DEM‑CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）对转运系统的物料进行采集，这里的采集包括物料本性特征测试、衬板测试、离散元仿真的材料参数校验（2）采用CAD软件SolidWorks建立转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型——转运系统曲线溜槽三维结构模型（3）将采集好的物料和结构的数据以及转运系统曲线溜槽三维结构模型输入EDEM软件中，根据物料及衬板测试校验参数，建立物料颗粒工厂、物料间参数关系、物料与设备之间的参数关系，进行基于DEM的离散元方法仿真模拟（4）根据步骤（3）中得到的仿真结果同时结合溜槽设计准则对转运系统曲线溜槽三维结构模型进行结构性的分析判断，得到转运系统曲线溜槽三维结构模型是否符合要求，如果满足要求则进入步骤（5），若转运性能差不满足要求则返回步骤（2）进行模型参数的修改并重新建模（5）在转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型基础上采用CAD软件SolidWorks建立受料皮带导料槽和除尘罩几何模型——转运系统尘降和除尘结构三维模型（6）采用ANSYS ICEM CFD六面体结构化网格生产软件对转运系统三维模型进行网格划分（7）对离散元软件EDEM和计算流体动力学软件Fluent参数及耦合接口设置并导入网格模型，对转运系统三维模型进行基于离散元方法（DEM）‑计算流体动力学（CFD）耦合仿真模拟（8）根据步骤（7）中得到的仿真结果结合控尘设计准则对转运系统尘降和除尘结构三维模型进行流动性分析判断得到转运系统尘降和除尘结构三维模型是否满足要求，如果转运系统尘降和除尘结构三维模型满足要求，则转运系统结构设计定型，如果该三维模型无法满足要求，控尘效果差，则返回步骤（5），进行结构参数的修改并重新建立转运系统尘降和除尘结构三维模型。...

【技术特征摘要】
1.基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）对转运系统的物料进行采集，这里的采集包括物料本性特征测试、衬板测试、离散元仿真的材料参数校验（2）采用CAD软件SolidWorks建立转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型——转运系统曲线溜槽三维结构模型（3）将采集好的物料和结构的数据以及转运系统曲线溜槽三维结构模型输入EDEM软件中，根据物料及衬板测试校验参数，建立物料颗粒工厂、物料间参数关系、物料与设备之间的参数关系，进行基于DEM的离散元方法仿真模拟（4）根据步骤（3）中得到的仿真结果同时结合溜槽设计准则对转运系统曲线溜槽三维结构模型进行结构性的分析判断，得到转运系统曲线溜槽三维结构模型是否符合要求，如果满足要求则进入步骤（5），若转运性能差不满足要求则返回步骤（2）进行模型参数的修改并重新建模（5）在转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型基础上采用CAD软件SolidWorks建立受料皮带导料槽和除尘罩几何模型——转运系统尘降和除尘结构三维模型（6）采用ANSYSICEMCFD六面体结构化网格生产软件对转运系统三维模型进行网格划分（7）对离散元软件EDEM和计算流体动力学软件Fluent参数及耦合接口设置并导入网格模型，对转运系统三维模型进行基于离散元方法（DEM）-计算流体动力学（CFD）耦合仿真模拟（8）根据步骤（7）中得到的仿真结果结合控尘设计准则对转运系统尘降和除尘结构三维模型进行流动性分析判断得到转运系统尘降和除尘结构三维模型是否满足要求，如果转运系统尘降和除尘结构三维模型满足要求，则转运系统结构设计定型，如果该三维模型无法满足要求，控尘效果差，则返回步骤（5），进行结构参数的修改并重新建立转运系统尘降和除尘结构三维模型。2.根据权利要求1所述的基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法，其特征在于：所述步骤（1）中的物料本性特征测试具体为根据国家标准测试物料的含水率、堆积密度、真实密度、安息角、颗粒形状特征、粒度和颗粒组成；所述步骤（1）中的衬板测试具体为衬板磨损实验和衬板冲击磨损实验；所述衬板磨损实验是为了评估不同的内衬材料的磨损性能，物料与衬板在水平圆磨损试验机上可进行时间测试；为了确定确切的磨损性能，对每个磨损衬板样品的重量损失进行监测，并可以转化为估计的预期寿命；所述衬板冲击磨损实验是为了评估不同的内衬材料的抗冲击磨损性能，物料与衬板在垂直圆磨损试验机上可进行时间测试；为了确定确切的磨损性能，每个磨损衬板样品的重量损失进行监测，并可以转化为估计的预期寿命；将衬板磨损实验和衬板冲击磨损实验实验结果结合EDEM软件仿真的磨损分析选择合理的满足实际工况的衬板材料。3.根据权利要求1所述的基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法，其特征在于：所述步骤（1）的离散元仿真的材料参数校验具体为：包括离散元仿真的材料参数获取和参数校验；所述离散元仿真的材料参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和JKR模型的能量密度；这些参数主要是在物料与物料之间、物料与设备之间；通过设计合适的实验平台与仿真虚拟实验进行标定；如：自由下落实验、坍塌实验、滑板实验；所述离散元仿真的材料参数校验保证仿真结果的准确性，确保仿真能够代表真实世界的物料流动行为；在仿真和真实世界之间建立联系的关键就是离散元仿真的材料参数校验。4.根据权利要求1所述的基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法，其特征在于：所述离散元方法仿真模拟具体为：（1）几何模型建立采用CAD软件SolidWorks建立转运系统上下转运皮带、卸料滚筒和曲线溜槽几何模型（2）设置材料和定义颗粒设置设备及物料颗粒的材料本征参数，接触模型选择Hertz-Mindlin模型，根据离散元仿真的材料参数校验设置物料之间以及物料与设备之间的基本接触参数和接触模型参数；定义颗粒的形状特征及粒度分布（3）定义几何模型运动特征导入几何模型，定义皮带、滚筒和曲线溜槽的材料及运动特征（4）设置颗粒工厂根据皮带输送量、带速在卸料皮带头部设置颗粒工厂（5）对输煤转运系统进行离散元仿真求解设置仿真时间及保存时间间隔，对输煤转运系统方案几何模型进行离散元仿真求解（6）EDEM后处理。5.根据权利要求1所述的基于物料测试和DEM-CFD仿真输煤转运系统结构设计定型方法，其特征在于：所述离散元方法（D...

【专利技术属性】
技术研发人员：王嘉智，
申请(专利权)人：厦门力祺环境工程有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35