水冷螺旋输送机内颗粒的流动特性

张忠良，刘永启，郑斌，李瑞阳，郁鸿凌

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049）

水冷螺旋输送机内颗粒的流动特性

张忠良1，刘永启2，郑斌2，李瑞阳1，郁鸿凌1

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049）

水冷螺旋输送机内颗粒的运动对其换热效率起决定性作用。为揭示应用于兰炭行业的水冷螺旋输送机内颗粒的流动特性，本文基于离散单元法（DEM）建立了水冷螺旋输送机的计算模型，从颗粒群力链的角度分析了螺旋转速、填充系数、螺距以及螺旋轴直径对其内部颗粒流动的影响。结果表明：壳体附近颗粒的运动速度因边界抑制作用有所降低。填充系数小于80%时，颗粒的运动以滑移为主；填充系数大于80%时，颗粒的运动以旋转为主。满填充状态下，螺距与螺旋直径之比小于2/3时，颗粒的运动以旋转为主；螺距与螺旋直径之比大于2/3时，颗粒的轴向运动逐渐占据主导地位。质量流率随螺旋转速和螺距的增加而增加，随螺旋轴直径的增加而降低。质量流率对高于80%填充系数的敏感程度高于低填充系数的敏感程度。

水冷螺旋输送机；离散单元法；颗粒；流动特性；力链

水冷螺旋输送机作为一种高效换热设备已广泛应用于化工、矿物加工等行业。水冷螺旋输送机配有水冷螺旋轴和水冷壳体，在输送高温固体颗粒的同时，对其逆向降温并进行余热回收。

螺旋输送机内颗粒的运动极其复杂，实验和原有理论很难描述颗粒的运动[1]。近年来，逐渐成熟的离散单元法（discrete element method，DEM）[2]能够很好地跟踪并分析颗粒在多尺度结构中的运动，在散料行业已得到广泛应用[3-4]。SHIMIZU和CUNDALL[5]首次使用DEM研究分析了螺旋输送机的转矩和功率。CLEARY[6-7]研究了倾角为45°的螺旋输送机的下料性能和颗粒流动性能，并分析了颗粒形状对其性能的影响。OWEN等[8-9]比较了不同倾角、颗粒形状和摩擦系数对螺旋输送机性能的影响。FERNANDEZ等[10]研究了6种不同结构螺旋体对下料等性能的影响。张西良等[11]研究了颗粒尺寸对螺旋加料机加料性能的影响，并分析了介观尺度[12-13]下的力链结构变化。HOU等[14]研究了黏性颗粒在螺旋输送机内的流动特性。PEZO等[15]研究了增加挡板的叶片对颗粒混合特性的影响。ROZBROJ等[16]采用PIV技术和DEM标定了颗粒在垂直螺旋输送机中的摩擦系数。KEPPLER等[17]研究了转速对螺旋输送机混合特性的影响。KRETZ等[18]验证了DEM用于研究不同结构螺旋输送机内颗粒流动和混合特性的适用性。

以上工作都是针对常规螺旋输送机展开的，水冷螺旋输送机除结构与常规螺旋输送机不同外，为提高其余热回收效率，工程中常维持较低转速，转速不同，内部颗粒的流动有较大差异[19]。本文基于DEM建立了应用于兰炭行业的水冷螺旋输送机计算模型，研究螺旋转速、填充系数、螺距和螺旋轴直径对其内部颗粒流动特性的影响。揭示其内部颗粒的流动特性，对于水冷螺旋输送机的设计和提高其余热回收效率具有重要的指导意义。

1 模型描述

本文应用于水冷螺旋输送机的DEM理论模型与CLEARY[6]应用于输送粮食作物的常规螺旋输送机的理论模型相同。图1为水冷螺旋输送机示意图。本文主要研究水冷螺旋输送机内颗粒的流动特性，计算模型忽略其水冷部件只保留颗粒流通边界。螺旋直径D1为300mm，叶片厚度T为10mm，螺旋叶片与内管壁之间间隙C为4.5mm，计算模型结构如图2所示，仿真过程中采用周期边界模型。物料为球形颗粒，其堆积密度ρ为850kg/m3，粒径d为10mm，颗粒与颗粒的摩擦系数f1=0.6，颗粒与边界的摩擦系数f2=0.4，恢复系数为0.5，其他参数如表1所示，其中填充系数ε的计算公式如式(1)～式(3)。

式中，VA为单节螺距的螺旋空间总体积；VB为单节螺距范围内的颗粒堆积体积；M为单节螺距范围内的颗粒总质量。

2 验证

DEM应用于输送粮食等常规螺旋输送机上的适用性和正确性OWEN等[5,8,18]已予以肯定。为验证离散单元法在水冷螺旋输送机上的适用性，本文将在水冷螺旋输送机冷态实验装置实验测得的质量流率与利用DEM计算得到的数据进行对比。用于验证的实验装置和计算模型如图3所示。

图1 水冷螺旋输送机示意图

图2 计算模型结构

表1 结构及运行参数

图3 实验装置和计算模型图

图4 不同转速下质量流率计算值与实验值的对比

图4为不同转速下质量流率计算值与实验值的对比。由图4可以看出，DEM计算值与实验值十分接近，最大误差为3.48%，在可接受范围内，这说明DEM计算中与实验中水冷螺旋输送机中颗粒的运动速度和质量流率是相近的，因此，DEM应用于研究水冷螺旋输送机内颗粒的流动特性是合适的。

3 结果与分析

水冷螺旋输送机单螺距之间的颗粒群可分为两个区域：与螺旋叶片接触的颗粒群（剪切层）和中间颗粒群。颗粒群在输送机内的运动形为包括轴向运动和周向运动两种运动形式，即做旋转式前进运动。外载荷的传播以力链的形式由与螺旋叶片接触的颗粒群传至中间颗粒群[11]。颗粒群中单颗粒的运动较为复杂，包括沿输送方向的轴向运动、绕螺旋轴轴线旋转的周向运动、远离或靠近轴线的径向运动以及颗粒的自转运动，运动行为以轴向运动和周向运动为主。基于颗粒群的散体特性以及单颗粒运动的复杂特性，本文所述颗粒的运动速度皆为均值。平均速度即颗粒的平均绝对速度。质量流率即单位时间内通过垂直轴线切面的颗粒质量之和，是表征水冷螺旋输送机输送效率的重要指标。

3.1 不同圆周直径处颗粒的速度分布

图5为不同圆周直径处颗粒的速度分布。由图5可以看出，螺旋轴附近颗粒的运动速度最低，颗粒的运动速度随圆周直径的增加而增加，圆周直径由128mm增至249mm时，平均速度升高30.03%，平均轴向速度升高29.92%，平均周向速度升高35.97%。靠近壳体处颗粒的运动速度略有降低，平均速度降低4%，平均轴向速度降低4.17%，平均周向速度降低5.26%。

根据质点法理论[20]，螺距一定时，颗粒的轴向运动随所处位置的圆周直径的增加而加强。颗粒所处位置的圆周直径增加，颗粒的周向运动加强。因受壳体的边界抑制作用，壳体附近颗粒的轴向运动和周向运动有所减弱。

图5 不同圆周直径处颗粒的速度分布

3.2 螺旋转速对颗粒流动的影响

图6为颗粒速度和质量流率随螺旋转速的变化曲线。由图6可以看出，颗粒的运动速度随螺旋转速的增加呈线性增加，当螺旋转速由3r/min增至20r/min时，平均速度增加了5.50倍，平均轴向速度增加了5.43倍，平均周向速度增加了5.90倍。水冷螺旋输送机的质量流率随螺旋转速的增加呈线性增加，20r/min处的质量流率为3r/min处的6.57倍。

图6 颗粒速度和质量流率随螺旋转速的变化

水冷螺旋输送机满填充运行时，其内部颗粒群的力链结构相对稳定，即颗粒之间的相对位置稳定性较好，随螺旋体的旋转而做旋转式前进运动。螺旋转速增加，颗粒群的运动随之加强，颗粒的运动速度随螺旋转速的增加而呈线性增加。由于螺距小于螺旋直径，使得颗粒的平均周向速度大于颗粒的平均轴向速度。填充系数相同时，水冷螺旋输送机的质量流率主要取决于其内部颗粒的轴向速度，水冷螺旋输送机的质量流率随颗粒轴向速度的增加而增加。

3.3 填充系数对颗粒流动的影响

图7 颗粒速度和质量流率随填充系数的变化

图7为颗粒速度和质量流率随填充系数的变化曲线。由图7可以看出，填充系数由60%增加至80%时，颗粒的平均速度随填充系数的增加而增加，增加了12.50%，随填充系数的继续增加，平均速度基本不变。填充系数由60%增加至80%时，平均轴向速度随填充系数的增加而降低，降低了17.90%，随着填充系数的继续增加，平均轴向速度基本不变。平均周向速度随填充系数的增加而增加，当填充系数由60%增加至80%时，平均周向速度呈线性增加，增加了1.27倍，随着填充系数的继续增加，平均周向速度的增长速率有所降低，当填充系数由80%增至100%时，平均周向速度增加了36.00%。由图7还可以看出，平均轴向速度和平均周向速度在填充系数为80%附近相等。在填充系数为60%～80%范围内，水冷螺旋输送机的质量流率随填充系数的增加有小幅度增加，增加了5.41%，当填充系数大于80%时，质量流率随填充系数的增加呈线性增加，至填充系数为100%时，质量流率增加了28.50%。填充系数小于80%时，颗粒群的自由运动空间较大，重力和颗粒间接触力较小，相应的力链结构稳定性较差，只有部分与螺旋叶片接触的颗粒群随螺旋体的旋转而旋转，不足以维持整个颗粒群的周向运动。随填充系数的增加，颗粒间的接触力增加，颗粒群力链结构稳定性加强，颗粒群的周向运动加强。颗粒的平均周向速度随填充系数的增加而增加，颗粒的平均轴向速度随填充系数的增加而降低，颗粒的平均轴向速度大于颗粒的平均周向速度，颗粒于水冷螺旋输送机内的运动以滑移为主，颗粒的周向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随填充率的增加而增加。当填充系数大于80%时，颗粒的平均周向速度持续增加，且大于颗粒的平均轴向速度，颗粒于水冷螺旋输送机内的运动以旋转为主，颗粒的轴向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随填充系数的增加敏感度降低，基本维持常值。填充系数在60%～80%范围内，颗粒的轴向速度随填充系数的增加而降低，填充系数的增加与轴向速度的降低二者相互牵制，使得水冷螺旋输送机的质量流率对填充系数的变化不敏感。在填充系数大于80%范围内，颗粒的轴向速度基本不变，水冷螺旋输送机的质量流率随填充系数的增加呈线性增加。

3.4 螺距对颗粒流动的影响

图8为颗粒速度和质量流率随螺距的变化曲线。由图8可以看出，在螺距为100～200mm范围内，颗粒的平均速度和平均周向速度随螺距的增加而降低，平均速度降低50.54%，平均周向速度降低54.05%。在螺距为200～300mm范围内，颗粒平均速度随螺距的增加呈小幅度增加，至螺距为300mm处时，增加了17.39%，平均周向速度随螺距的增加保持稳定，平均轴向速度随着螺距的增加而增加，螺距由100mm增至300mm时，平均轴向速度增加了10.67倍。由图8还可以看出，在螺距为300mm处，即螺距与螺旋直径相等的位置，颗粒的平均轴向速度和颗粒的平均周向速度基本相等。水冷螺旋输送机的质量流率随螺距的增加呈线性增加，螺距由100mm增至300mm时，质量流率增加了5.82倍。

图8 颗粒速度和质量流率随螺距的变化

转速和填充系数相同时，单个螺距范围内颗粒群中颗粒数目随螺距的减小而减少，与螺旋叶片接触的颗粒群占整个颗粒群的比例增加。随着螺距的增加，单个螺距之间的颗粒数目增加，中间颗粒群占整个颗粒群的比例增加，由剪切层传向中间颗粒群的载荷的均匀性和稳定性变差，整个颗粒群的力链结构稳定性降低，颗粒群的周向运动受到限制。颗粒平均速度和平均周向速度受螺距影响的敏感程度在螺距与螺旋直径之比为2/3处开始降低。螺距增加，螺旋叶片的螺旋升角增加，螺旋体每旋转一周，颗粒前进的距离增加，颗粒的平均轴向速度增加。在螺距与螺旋直径之比为1/3～2/3范围内，颗粒的周向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随螺距的增加而降低，颗粒的运动以旋转为主。在螺距与螺旋直径之比为2/3～1范围内，颗粒的轴向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随螺距的增加而增加，颗粒的轴向运动逐渐占据主导地位。转速和填充系数相同的条件下水冷螺旋输送机质量流率的大小取决于输送机内颗粒的轴向运动速度的大小，轴向运动速度越大质量流率越大，颗粒的轴向速度随螺距的增加呈线性增加，水冷螺旋输送机的质量流率随螺距的增加呈线性增加趋势。

3.5 螺旋轴直径对颗粒流动的影响

图9为颗粒速度和质量流率随螺旋轴直径的变化曲线。由图9可以看出，随着水冷螺旋输送机螺旋轴直径的增加，颗粒的平均速度呈线性增加，当螺旋轴直径由77mm增至139mm时，平均速度增加了19.05%；颗粒的平均轴向速度随着螺旋轴直径的增加而减小，降低了8.33%；颗粒的平均周向速度随螺旋轴直径的增加而增加，增加了30.30%。水冷螺旋输送机的质量流率随螺旋轴直径的增加呈线性降低，当螺旋轴直径由77mm增至139mm时，质量流率降低了18.51%。

图9 颗粒速度和质量流率随螺旋轴直径的变化

随着水冷螺旋输送机螺旋轴直径的增加，水冷螺旋输送机的有效输送截面积减小，颗粒与边界的接触数目的相对比例增加，由于边界抑制作用，颗粒的轴向运动受到抑制，颗粒群的力链结构稳定性增强加之颗粒群向水冷螺旋输送机轴线的外缘移动，颗粒群中颗粒的周向运动不断加强，在颗粒运动中占据主导地位，故而，水冷螺旋输送机内部颗粒运动的合速度随螺旋轴直径的增加呈线性增加。转速和填充系数相同时，水冷螺旋输送机的质量流率主要取决于内部颗粒的轴向速度大小和有效横截面积的大小，横截面积相同时，质量流率随轴向速度的增加而增加，轴向速度相同时，质量流率随横截面积的增加而增加。水冷螺旋输送机内颗粒的轴向速度和水冷螺旋输送机的有效横截面积随螺旋轴直径的增加呈线性降低趋势，水冷螺旋输送机的质量流率随螺旋轴直径的增加而降低。

4 结论

（1）颗粒运动速度随螺旋转速的增加呈线性增加；颗粒的周向速度随螺旋轴直径的增加而增加，轴向速度随螺旋轴直径的增加而降低。

（2）填充系数小于80%时，颗粒的周向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，颗粒的运动以滑移为主；填充系数大于80%时，颗粒的轴向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随填充系数的增加敏感度降低，颗粒的运动以旋转为主。

（3）满填充状态下，螺距与螺旋直径之比小于2/3时，颗粒的周向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随螺距的增加而降低，颗粒的运动以旋转为主；螺距与螺旋直径之比大于2/3时，颗粒的轴向运动对颗粒运动速度的变化起主导作用，随螺距的增加而增加，颗粒的轴向运动逐渐占据主导地位。

（4）质量流率随螺旋转速和螺距的增加呈线性增加，随螺旋轴直径的增加而降低。

（5）填充系数小于80%时，填充系数的增加与轴向速度的降低二者相互牵制，质量流率对填充系数的变化不敏感；填充系数大于80%时，质量流率随填充系数的增加呈线性增加。

符号说明

C—— 螺旋叶片与内管壁之间间隙，mm

D1—— 螺旋直径，mm

D2—— 螺旋轴直径，mm

d—— 颗粒直径，mm

f1—— 颗粒与颗粒之间的摩擦系数

f2—— 颗粒与边界的摩擦系数

M—— 单节螺距范围内的颗粒总质量，kg

n—— 螺旋转速，r/min

P—— 螺距，mm

T—— 叶片厚度，mm

VA—— 单节螺距的螺旋空间总体积，m3

VB—— 单节螺距范围内的颗粒堆积体积，m3

ε—— 填充系数，%

ρ—— 颗粒堆积密度，kg/m3

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Flow characteristics of particles in water-cooled screw conveyor

ZHANG Zhongliang1，LIU Yongqi2，ZHENG Bin2，LI Ruiyang1，YU Hongling1
（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong，China）

Particle motion in a water-cooled screw conveyor is crucial to its heat transfer efficiency. In order to reveal the flow characteristics of particles in water-cooled screw conveyor used in semi-coke industry，the calculation model of water-cooled screw conveyor was established based on discrete element method（DEM）. The influence of screw speed，filling rate，pitch and screw shaft diameter on the flow characteristics of particles were studied from the perspective of particle force chain. The results showed that the velocities of the particles near the casing are reduced by the boundary inhibition.The motion of the particles is mainly slip when the filling rate is less than 80% and mainly rotation when the filling rate is more than 80%. Under full-fill conditions，the motion of the particles is dominated by rotation when the ratio of the pitch to the helix diameter is less than 2/3. And the axial motion of the particles gradually toke the dominant position when the ratio of the pitch to the helix diameter is more than 2/3. The mass flow rate increased with the increase of screw speed and pitch，and decreased with the increase of screw shaft diameter. The sensitivity of the mass flow rate to the fill rate above 80% is higher than the sensitivity of the low fill rate.

water-cooled screw conveyor；discrete element method（DEM）；particle；flow characteristics；force chain

TH224

：A

：1000-6613（2017）09-3217-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0181

2017-02-06；修改稿日期：2017-03-23。

山东省科技发展计划（2013GGX10404）及山东省自然科学基金（ZR2013EEQ005）项目。

张忠良（1989—），男，博士研究生，主要从事固体物料余热回收研究。E-mail：15264311799@163.com。联系人：刘永启，教授，博士生导师，主要从事固体物料余热回收研究。E-mail：liuyq65@163.com。