FlowCode旋转筒内颗粒混合搅拌的数值模拟与仿真研究(2)
借助于卧式或立式滚筒等容器的旋转进行不同粉体的混合、破碎、渗透或促使颗粒凝聚成团在生产、生活等各行业十分普遍，不同属性的物料，在外界条件的激励下有可能会出现相似的混合与分离的现象。对颗粒的跟踪研究、对颗粒流运动的仿真模拟有益于分析搅拌、混合过程中颗粒运动的机理，观察和控制颗粒混合与分离等效应对实际工业、生活生产技术领域有着重要的指导意义。
本课题将基于固体颗粒之间的碰撞模型，运用到实际筒体之中，通过Particle Flow Code软件分析转速、抄板形式、加料方式等对最终混合效果的影响，并给出较为适合的参数，从而得到能够验证理论的实验数据的支持甚至是实验不能提取或难以提取的数据来完善研究。
1.2 研究内容和结构
颗粒的混合搅拌是一个的复杂过程，受到很多因素影响，颗粒的混合中伴随着分离，运动中有稳定。要进行旋转筒内颗粒混合搅拌的数值模拟与仿真研究，需要考虑以下几点因素：1、搅拌混合器的选型与结构尺寸（倾斜角度、长径比、壁面刚度系数）；2、壁面周向线速度；3、内构件（抄板）的形状、位置、个数（直，弯，直角）；4、颗粒的物理、几何性质，如密度、粒径比、摩擦系数、泊松比、剪切模量等等。这些具有关键作用的变量参数对旋转筒中颗粒混合特性的影响，反映了旋转筒内填充物复杂的运动规律。
要对筒内颗粒在混合过程中的运动进行数值研究，则要在力学基础上，跟踪、研究筒内每一个颗粒，考虑颗粒的重力、粒径比、摩擦系数、刚度系数、颗粒之间的碰撞力和摩擦力、颗粒与筒内壁的碰撞力、颗粒与抄板的碰撞力，并分别计算颗粒的受力情况，再计算出颗粒的合力、合力矩，从而判断颗粒的运动趋向。在此过程中需要运用工程矢量力学、材料力学和弹性力学，以及“弹簧-阻尼”球模型。
1.2.1 旋转筒选型对颗粒体系混合的影响
物料的流变学性质在一定程度上决定混合器的初步选型，并不断促使其改进。现实生产中，往往要根据物料的物理、化学特性判断相应的工艺参数并选择合适的混合器。生产、生活中常用的固——固混合机有：单螺旋锥形混合机，双螺旋锥形混合机，无重力双轴混合机，卧式螺带混合机，卧式犁刀混合机等等。在具体选择搅拌混合器时要考虑的因素有很多（见[1]），通常情况下，初步选型时需要考虑的因素主要如下：原料和混合料的流变学性质、粉末的润湿性能、设备投资费用、结块的破碎、安全因素、通风要求、粉末的流动性、清洁要求、能耗、生产能力／粒度、质量控制要求是间歇操作还是连续操作、混合时间、等；其中，决定性因素是物料的流变学性质，这也是最难以掌握的影响因素之一。 搅拌混合机的选择对实验的研究方法、建模等前期工作的展开有重要的影响。
生产、生活中所选用的混合搅拌器必须使物料能够均匀分布，并保证可以使得物料在整个搅拌、混合循环的过程中能够充分地碰撞、渗透，同时还需要使得实际操作具有较高的工作效率。本研究课题中采用最简单的圆柱体形旋转筒模型，内径与筒高相当，绕中心轴轴向旋转。
通常情况下，旋转筒内的颗粒在进行搅拌混合时，会出现分离现象，主要是尺寸较大或密度较小的颗粒因为离心力的原因会偏离中心，移动到筒的壁面或边缘处。对应的，尺寸较小或密度偏大的则会被推至中心处产生聚集。由于颗粒粒径大于分子半径，颗粒在运动过程中很难保持连续性，因此，近年来学者们通过先进的观测手段和计算方法对颗粒运动进行了研究,其中计算颗粒力学是最重要的数值研究手段之一（见[2]）。由于颗粒粒径的数量级偏大，不会产生微观粒子那样的连续运动，而是会出现离散情形，故近年来诸多学者采用离散元方法去对颗粒运动进行模拟仿真，其中计算颗粒力学是一种重要的数值研究手段。计算颗粒力学中有两种物理模型，软球模型和硬球模型，分别对应弹性颗粒和刚性颗粒，用于颗粒的填装、混合、研磨及流态化领域的研究。该方法可以对每个颗粒进行编号，获取任意颗粒的微观信息，如运动轨迹，径向速度，并且只需少量的参数控制即可准确地还原复杂的颗粒运动，具有不错的适用性。采用具有较高精度的“弹簧—阻尼”球模型能够准确地预测出旋转筒内物料的混合与搅拌效果。