【餐厨垃圾处理装置固液分离装置流固耦合仿真分析案例6600字】

餐厨垃圾处理装置固液分离装置流固耦合仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30535餐厨垃圾处理装置固液分离装置流固耦合仿真分析案例 1299581.1EDEM-Fluent流固耦合仿真原理 1159271.1.1离散单元法 226321.1.2颗粒接触力学模型 387951.1.3流固耦合曳力系数 4193891.1.4耦合计算方法及计算流程 519081.2固液分离装置流固耦合仿真过程 7180881.2.1建模及网格划分 792711.2.2EDEM颗粒模型及接触参数设定 890791.2.3时间步长设定 12249901.2.4Fluent流体模型及边界条件设定 13103361.3仿真结果与分析 14290951.3.1仿真结果 1565581.3.2结果分析 15166491.4小结 17为了验证固液分离装置能否达到将粉碎后的餐厨垃圾进行固液分离的效果，进行后续样机试验，采用离散元软件EDEM和计算流体力学软件Fluent对固液分离装置进行流固耦合仿真，通过设定相关参数对粉碎后的餐厨垃圾在固液分离装置内的运动过程进行仿真，对仿真得到的餐厨垃圾在固液分离装置内部的运动速度和受力等情况进行分析，进而验证设计的固液分离装置的可行性。1.1EDEM-Fluent流固耦合仿真原理Edem和Fluent耦合为两相流中的一种，属于密相流固两相流的研究范畴。两相流是指在仿真系统中包含两相物质，而且其中一相为流体，两相流包括气固两相流、气液两相流、液固两相流以及液液两相流。Edem和Fluent耦合方法是基于颗粒轨道模型，在Edem-Fluent耦合模块中，颗粒相与液体相进行耦合计算。Edem-Fluent耦合方法的优点在于对液体和颗粒，都能找到最适合的模拟方法，不但可以模拟仿真流场的变化，还能模拟出颗粒遇到流场后，受到流场作用力时的运动，以及流场受到颗粒的反总用力后对流场的影响，即双向耦合，这使得软件仿真结果更接近于现实情况。Edem-Fluent耦合可以模拟绝大多数的颗粒与液体系统，特别是在颗粒尺度分布范围广、非球形颗粒、颗粒中混合有流体以及机械设备上颗粒沉积和黏结等方面，具有不可代替的优势[59-61]。1.1.1离散单元法离散单元法（DiscreteElementMethod，简称DEM），其理论基础是结合不同本构关系的牛顿第二定律，通过求解系统中每个颗粒的受力，不断地更新颗粒的位置和速度等信息，从而描述整个颗粒系统，不同颗形状的颗粒模型见图5-1所示。。离散单元法与求解连续系统的有限元方法类似，但是两者具有类似的物理含义和平行的数学概念，且使用不同的计算模型与处理方式。离散单元法将介质整体看做一系列独立运动的离散单元，并且几何形状可以是规则的球体、多个不同粒径球体的组合体、椭圆体、或者具有不规则外形的块体等，基本单元之间相互接触并存在作用力，由经典的运动控制方程进行控制。离散单元法的基本思想为：（1）给颗粒体施加外力或位移约束信息，各颗粒由于外界的干扰就会产生相应的力和力矩；（2）结合力和加速度定律得到颗粒实时加速度，通过加速度对时间的积分可以得到颗粒的速度与位移等信息；（3）根据颗粒的小变形量可以得到新的位移矢量方向从而产生新的施加在颗粒上的力和力矩；（4）一直迭代，直到所有颗粒处于某种运动状态或者达到平衡。EDEM是国际上首个基于离散单元法用来处理和求解颗粒系统的通用型计算机辅助工程设计软件，EDEM主要有前处理工具Creator、求解器Simulator、后处理工具Analyst共三部分组成。EDEM的前处理工具Creator可以快速、简便的为离散颗粒进行参数化建模，并设置颗粒的材料参数、接触参数以及粒径分布，不同形状的颗粒模型见图5-1所示。其中，颗粒的材料参数包括泊松比、密度以及弹性模量，接触参数包括颗粒材料之间以及颗粒材料与几何体之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数以及滚动摩擦系数。EDEM的求解器Simulator在拉格朗日坐标系下，基于离散单元法和颗粒碰撞模型求解系统的本构方程、运动学方程和动力学方程来进行仿真计算。在仿真计算过程中，可以随时中断去查看每个颗粒及壁面单元体的速度、受力等参数的实时数值。EDEM的后处理工具Analyst可以进行EDEM的后处理工作，可直接对仿真计算结果进行分析与处理，可以得到颗粒的运动速度、受力情况以及运动轨迹等信息，统计结果可以以曲线、图表以及动画等各种方式呈现出来[62-70]。图5-1不同形状颗粒模型Figure5-1Particlemodelsofdifferentshapes1.1.2颗粒接触力学模型DEM描述的碰撞过程为颗粒在运动过程中，必然会与其他的颗粒产生碰撞，同时会伴随力的产生。假设颗粒之间的接触为点接触，并且允许在接触点的位置有一定的重叠量，然后通过接触点位置的一对作用力与反作用力将接触点的重叠量、接触颗粒的物理参量与之前时间步的接触信息联系起来，构成见图3-2所示的接触力学模型。1-颗粒刚度(弹簧);2-阻尼器;3-摩擦器图5-2接触力学模型图Figure3-2Contactmechanicsmodeldiagram在EDEM中的接触力学模型有：Hertz-Mindlin无滑移模型、JKR接触模型、Hertz-Mindlin热传导模型、线弹性模型、Hertz-Mindlin粘结键模型、线性黏附接触模型和摩擦电荷接触模型。Hertz-Mindlin无滑移模型是一种基础的接触模型，可以准确计算出两个颗粒在弹性接触时的接触作用力。在Fluent-EDEM耦合模块中，常用的流体曳力模型为Freestream曳力模型和Gidaspow模型。Freestream曳力模型适用于颗粒数目和颗粒接触碰撞次数较少且流体域内速度梯度不大的情况。Gidaspow模型主要结合了Ergun模型和Wen-Yu模型。当气体分值小于等于0.8时，流体曳力不随颗粒雷诺数的变化而变化；当气体分数大于0.8时，颗粒的雷诺数对曳力有影响，特别当颗粒的雷诺数大于1000时，曳力函数中的气体阻力系数CD取值为常数0.44，公式如下：Fd=150εsFd=3CDRes式中：εgεsμgρg——dp——颗粒的直径；vs——颗粒的运动速度；vg——气体的运动速度。1.1.3流固耦合曳力系数在流固耦合问题中，曳力系数的求解是必不可少的。曳力系数是一个无量纲的数，它描述了所有影响流体曳力的复杂因素，其求解的类型主要有以下三种：球形模型曳力系数、非球形模型曳力系数和Stokes-Cunningham模型曳力系数，其中Stokes-Cunningham曳力模型适用于微米级的颗粒。对于球体颗粒，曳力系数CD的选取见式（5-5）所示，对于非球形颗粒，曳力系数的选取见式（5-6）所示。CDCD式中：a1、a2、a3为常数；b1=exp(2.3288−6.4581φ+2.4486φ2)；

雷诺数Resph由具有相同体积的球形颗粒的直径为来进行计算，形状因子会影响颗粒的悬浮速度，其值不超过1。1.1.4耦合计算方法及计算流程在耦合模块中，颗粒相和流体相进行耦合计算，将复杂结构的边界，模化成Navier-Stokes动量方程中的一种体力，并使用简单的笛卡儿网格有效地避开贴体网格生成的困难，提高了计算效率。在求解时，通过修改体积分数的做法，引入附加的连续性方程来描述相之间的相互作用。利用耦合的方式进行计算，有利于针对颗粒和流体找到更合适的模拟方法，不仅可以按照实际情况针对颗粒的形状和材料属性进行设置，还可以准确的描述出颗粒和流体之间的相互作用情况。为了获得真实的颗粒动量传递，需要计算固相体积分数所占CFD网格单元的体积。通过统计在颗粒边界以内和边界上的采样点数来确定mP∂mP∂tmp式中：τ——CFD中的时间步长nc——颗粒内的样本点数；N——总的样本点数；ρPVP——颗粒的体积。图5-3单个颗粒采样点Figure5-3Samplingpointsforindividualparticles由于能量不会在相之间进行传递，因此只需遵守质量守恒和动量守恒，流体相的质量连续性方程见式（5-9）所示，动量守恒方程见式（5-10）所示。∂∂t式（5-10）式中：αFρFvFmPσFP——各相压力值：Pp——颗粒相提供的动量。Fluent软件与EDEM软件通过信息交互进行联合计算，计算过程为：先由Fluent将某一时间点的流场计算收敛，将流场信息通过曳力模型转化为EDEM中作用在颗粒上的流体曳力，EDEM计算每个颗粒所受的外力包括流体曳力、颗粒重力以及颗粒之间的碰撞力等，并由此不断更新颗粒的动量、速度以及位置等信息，最后将这些颗粒属性添加到CFD仿真计算中，联合计算流程见图5-4所示。图5-4联合计算流程Figure5-4Jointcalculationflow1.2固液分离装置流固耦合仿真过程1.2.1建模及网格划分为了有效降低耦合仿真模型算法的复杂度，将该餐厨垃圾固液分离处理装置的模型简化为可计算的模型见图5-5所示。在ANSYS的ICEM模块中，对简化的装置模型划分网格的划分。设置网格形状为四面体网格，网格数量为92万个，并在Fluent中检查网格质量。abc图5-5模型简化图Figure5-5ModelSimplifiedDiagram1.2.2EDEM颗粒模型及接触参数设定由于在EDEM中新建颗粒模型，其大小需要根据粉碎后的餐厨垃圾颗粒大小来设置，故需要首先进行粉碎试验。加工粉碎装置实体样机一台，见图5-6所示，对餐厨垃圾进行粉碎试验。粉碎试验的地点为学校东校区机电工程学院金工实习工厂，试验原料采用学校食堂泔水桶的餐厨垃圾作为原始物料，如下图5-7所示，被粉碎后的餐厨垃圾，见图5-8所示。ab图5-6粉碎装置样机Figure5-6Prototypeofcrushingdevice图5-7粉碎试验用泔水Figure5-7Swillforcrushingtest图5-8粉碎的餐厨垃圾Figure5-8Crushedfoodwaste对粉碎后的不同类别的餐厨垃圾，如蔬菜类、肉类、面食类、米饭类、茶渣类、果壳瓜皮类等进行取样，见图5-9所示，并记录粉碎后的不同类别的餐厨垃圾颗粒的大小，见表5-1所示。图5-9不同类别的餐厨垃圾粉碎后取样Figure5-9Differenttypesoffoodwastearecrushedandsampled表5-1不同类别的餐厨垃圾粉碎后颗粒大小Table5-1Particlesizesofdifferentcategoriesoffoodwasteaftercrushing餐厨垃圾种类粉碎后的餐厨垃圾颗粒长度粉碎后的餐厨垃圾颗粒宽度芹菜11.03.1韭菜4.12.0菠菜4.52.6土豆3.02.1鸡翅6.12.3米饭3.22.1茶渣4.02.1果壳瓜皮11.53.0通过多次粉碎试验，对粉碎后的不同类别的餐厨垃圾颗粒进行分析可知，餐厨垃圾被粉碎后颗粒为不规则长条形，长在5-6mm左右，宽在2-3mm左右。对于富含纤维类的蔬菜以及较大的果壳瓜皮类餐厨垃圾，被粉碎后颗粒较长，长度在10-15mm左右。由粉碎试验得到的不同类别的餐厨垃圾粉碎后颗粒大小，在EDEM中，根据粉碎试验测得的不同类别的餐厨垃圾粉碎后颗粒大小新建颗粒模型，同时设置颗粒材料的泊松比、密度、弹性模量，并设置接触参数，接触参数包括颗粒材料之间以及颗粒材料与几何体之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数以及滚动摩擦系数。此处，设置碰撞恢复系数为0.2，静摩擦系数为0.5，滚动摩擦系数为0.01，并设置颗粒粒径分布以正态分布的方式生成。新建颗粒模型见图5-10所示。ab图5-10新建颗粒模型Figure5-10Newparticlemodel进入Properties模块，点击Spheres按照当前颗粒的球面所形成的形状，自动计算颗粒的质量、体积、转动惯量等属性参数，见图5-7所示。设置几何体的泊松比、密度、弹性模量，并设置几何体与颗粒之间的接触参数即碰撞恢复系数、静摩擦系数以及滚动摩擦系数，见图5-11所示。此处，设置几何体与颗粒之间的碰撞恢复系数为0.2，静摩擦系数为0.5，滚动摩擦系数为0.01。图5-11颗粒的质量、体积、转动惯量Fig.5-11Mass,volumeandmomentofinertiaofparticles 图5-12几何体与颗粒之间的接触参数Figure5-12Contactparametersbetweengeometryandparticles在EDEM中，导入简化的模型几何体，并设置几何体各表面的属性参数，见图5-11所示。设置颗粒与颗粒之间，颗粒与几何体之间的接触模型为Hertz-Mindlin无滑移模型，见图5-12所示。ab图5-13模型导入Figure5-13Modelimport图5-14Hertz-Mindlin模型Figure5-14Hertz-Mindlinmodel1.2.3时间步长设定流固耦合各自计算的时间步长一般为整数倍关系，流体计算时间步长容易确定，本文中的模拟时间步统一设置为0.001s，重点是确定固体颗粒的计算时间步长。在EDEM中，一般以瑞利参数作为标准来确定计算的时间步长，瑞丽参数表示一个剪力波穿过固体颗粒所需的时间。从理论上讲，这是模拟颗粒准静态接触的最大时间步长，在此情况下每个颗粒发生接触的总数至少为1，其计算公式如下tR式中：R——颗粒的半径；ρ——颗粒的密度；G——颗粒的剪切模量；V——泊松比。如果时间步长选取的过大，颗粒的位置会存在不确定性，颗粒间产生较大的重叠量会导致弹开时的相互作用力过大，加速度也会很大，最后出现颗粒行为混乱甚至“爆炸”的现象；如果时间步选取的太小，虽然可以清晰的看到颗粒接触的瞬间，不会产生过大的重叠量，但是会增加计算时间造成资源的浪费，因此选取合适时间步长对于仿真模拟至关重要。在EDEM中，一般选择瑞丽时间步长的5%~30%，开始计算时可以选择20%，如果是颗粒密集堆积的计算，可以选择10%~15%，本文数值模拟选取的EDEM时间步长为0.0002s，大概为瑞丽时间步长的17.9%。1.2.4Fluent流体模型及边界条件设定在Fluent中，设置为基于压力进行求解，瞬态模型，重力设置为9.81沿Y轴负方向，流体模型选择k-epsilon湍流模型，见图5-15所示。k-epsilon湍流模型是湍流模式理论中的一种，简称为k-ε模型。k-epsilon湍流模型是最常见的一种湍流模型，该模型属于两方程模型，该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，k-ε模型自从被Launder和Spalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具。选择流体介质为水，见图5-16所示，并设置流体的流入速度为1m/s，见图5-17所示。设置求解算法为Simplec(SIMPLE-Consistent)算法，见图5-18所示。同时，设置边界类型，见图5-19所示，并将所有边界条件进行初始化，见图5-20所示。图5-15k-epsilon湍流模型Figure5-15k-epsilonturbulencemodel图5-16流体介质Figure5-16Fluidmedium图5-17流体流入速度Figure5-17Inflowvelocityoffluid图5-18Simplec算法Figure5-18Simplecalgorithm图5-19边界类型Figure5-19Boundarytypes图5-20边界条件初始化Figure5-20Initializationofboundaryconditions1.3仿真结果与分析在Fluent中加载EDEM_udf耦合接口文件，使EDEM和Fluent两个软件进行耦合。在Fluent中点击RunCalculation进行流固耦合的仿真计算，耦合计算过程见图5-21所示，可见残差曲线收敛性较好，说明EDEM-Fluent流固耦合仿真计算结果较为精确。图5-21EDEM-Fluent流固耦合计算过程图Figure5-21EDEM-Fluentfluid-structurecouplingcalculationprocessdiagram1.3.1仿真结果通过Edem-Fluent的耦合仿真计算，得到餐厨垃圾碎渣颗粒在固液分离装置内部的速度云图和受力云图，见图5-22、图5-23所示。图5-22餐厨垃圾颗粒速度云图Figure5-22Velocityclouddiagramoffoodwasteparticles图5-23餐厨垃圾颗粒受力云图Figure5-23Forceclouddiagramoffoodwasteparticles1.3.2结果分析通过对餐厨垃圾固液分离处理装置的建模，以及进行EDEM-Fluent的流固耦合的仿真分析，对仿真结果得到的餐厨垃圾颗粒速度云图（图5-22）以及餐厨垃圾颗粒受力云图（图5-23），进行相关数据的提取，得到餐厨垃圾颗粒的速度变化图以及餐厨垃圾颗粒的受力变化图，见图5-24、图5-25所示。图5-24餐厨垃圾颗粒速度变化图Figure5-24Variationofparticlevelocityoffoodwaste图5-25餐厨垃圾颗粒受力变化图Figure5-25Stresschangediagramoffoodwasteparticles由图5-24餐厨垃圾颗粒速度变化图可知，在0s即餐厨垃圾颗粒在固液分离装置入口处时，其速度为0m/s。在0-7.5s时，餐厨垃圾颗粒速度0.13-0.15m/s范围内上下波动，这是由于餐厨垃圾刚进入固液分离装置内部，受力不均匀进而导致餐厨垃圾颗粒的速度产生上下波动。在7.5-25s时，餐厨垃圾颗粒的速度波动在0.15m/s上下波动，没有产生速度的突变等其它问题，其速度范围保持在0.13-0.18m/s，说明餐厨垃圾颗粒在固液分离装置内部的整个运动过程中运转稳定。在25-30s时，餐厨垃圾颗粒速度由0.18m/s逐渐增大。在29.5s时，餐厨垃圾颗粒速度达到最大值0.27m/s，此时餐厨垃圾颗粒运动至固液分离装置出料口处并快速完成出料，不会造成装置内部的堵塞等问题