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基于EDEM-Fluent耦合仿真的湿性混凝土颗粒气力清扫起动特性研究董建涛陈传峰肇杨蕾（长安大学，陕西西安7 10 0 0 0）【摘要】路面破碎是道路养护必不可少的环节，气力清扫可有效回收路面破碎后的湿性混凝土碎料。文章利用EDEM-Fluent耦合仿真对气力清扫进行模拟，采用VOF（V o l u m e o f Fl u i d）模型和欧拉-拉格朗日法，通过EDEM建立离散固体，通过Fluent建立连续的气相和自由液面，运用此混合模型模拟湿性混凝土颗粒的气力清扫过程，通过改变喷嘴入射角和喷嘴高度两个因素，进行单因素的EDEM-Fluent的耦合仿真，得到气流速度流场云图、液面变化云图和颗粒的运动情况以及起动情况。经过分析发现：喷嘴入射角对颗粒起动影响较小，相对而言，入射角为10 时颗粒起动最快。喷嘴吹送位置为颗粒中上部位置时，气力清扫的效率最高且固体颗粒运动距离最远。【关键词】气力清扫；多相流；EDEM-Fluent耦合仿真【中图分类号】0 3 5【文献标识码】AResearch on the Starting Characteristics of Wet Concrete Particle PneumaticCleaning Based on EDEM Fluent Coupling SimulationAbstract:Pavement crushing is an essential part of road maintenance.Pneumatic cleaning can effectively recover wet concretedebris after pavement crushing.In this paper,the EDEM-Fluent coupling simulation is used to simulate the pneumatic cleaning.TheVOF(Volume of Fluid)model and the Euler-Lagrangian method are used to establish discrete solids through EDEM,and continuous gasphase and free liquid surface through Fluent.The hybrid model simulates the pneumatic cleaning process of wet concrete particles.Bychanging the two factors of the nozzle incident angle and the nozzle height,a single-factor EDEM-Fluent coupling simulation isperformed to obtain the airflow velocity flow field cloud map,liquid level change cloud map and particle movement,as well as thestarting situation.After analysis,it was found that the incidence angle of the nozzle has little influence on the particle starting.Relativelyspeaking,the particle starting is the fastest when the incident angle is 10 degrees.When the blowing position of the nozzle is the upperand middle position of the particles,the efficiency of pneumatic cleaning is the highest and the distance of the solid particles is thefarthest.Key words:pneumatic cleaning;multiphase flow;EDEM-Fluent coupling simulation引言公路建设是国家经济发展和国家战略安全的重要组成部分。路面破碎是道路养护必不可少的环节，而目前普遍采用机械式方法，但这方法仍存在多方面的问题。而高压水射流破碎技术可以较好解决这一问题，其作业范围精确，只破除损坏的路面，保留完好的路面，破除路面的同时不损伤钢筋。因此，使用高压水射流技术破碎路面有利于提高公路养护的经济、环境及社会效益。然而，水射流破碎路面技术并未得到广泛的应用，其中原因之一是水射流破碎后的混凝土碎料回收技术未得到进一步研究。目前，为了清洁铣刨后的工作面，常采用人工用鼓风机清扫，这种人工吹扫方法具有二次扬尘污染且生产效率低的缺点。基于上述问题，可采用气力【收稿日期】2 0 2 2-0 8-2 5【作者简介】董建涛，男，长安大学在读硕士研究生，研究方向为道路施工与养护。-32-【文章编号】10 0 8-115 1(2 0 2 3)0 4-0 0 3 2-0 5清扫的方式回收水射流破碎后的混凝土碎料，水射流破碎及混凝土碎料回收系统如图1所示。6沉降箱7风机8混凝土碎料气力清扫区域图1水射流破碎及混凝土碎料回收系统混凝土路面气力回收区域水射流喷嘴旋转支架气流喷嘴回收吸口管路水射流破碎区域4.65059mm对此，学者开展了诸多研究。陆永光等 1 采用CFD-DEM耦合方法模拟了花生荚果气力提升时的气固两相行为。王建明等 2 利用EDEM-FLUENT联合仿真，探究固体颗粒在搅拌罐内的运动状态和自由液面对其分散的影响。胡昱等 3 通过耦合求解，得到颗粒从初始状态到运动稳定阶段的颗粒位置分布情况。雒春升 4 采用PIV技术和CFD-DEM方法深入开展振荡流气力输送过程中气固两相流动机理的研究。王晓晨 5 开展管道内油茶果气固两相流的数值模拟。李志化等 6 研究弯径比（8）对输送弯管内压力损失和固相颗粒运动速度以及弯管内壁磨损的影响。李俊杰 7 对不同输送条件影响下管道颗粒流过程进行仿真分析，并得到了不同输送条件下管道颗粒流输送效果和输送效率。胡传新等 8 指出紊流度对煤炭颗粒起动风速修正系数和来流风速修正系数均有较大的影响。汤碧辉等 9 获得了颗粒起动的作用流速，进而对稀性泥石流中大颗粒的起动与水流条件的关系进行了研究。夏毅敏等 10 研究了石碴形状系数、等容粒径和数量对石碴起动速度的影响。Zhou等 11 通过实验测量研究指出块煤颗粒的起动是由临界运动决定的。袁野等 12 建立了界限流速与“普遍起动”流速之间的定量关系。本文基于EDEM-Fluent耦合仿真，采用VOF（Vo l u m e o fFluid）模型，建立离散的固相与连续的液相、气相的混合模型，对自由场内的颗粒进行气力清扫，通过改变喷嘴入射角和喷嘴高度两个因素，研究颗粒的运动情况和流场变化情况，比较得到气力清扫效率较高的模型。1气-液-固三相流混合模型1.1流场模型的建立利用三维制图软件建立流场三维模型，针对单颗粒气力清扫颗粒数量较少的情况，绘制长方体形状的流场区域，长宽高分别为2 0 0、18、2 0 mm，模型如图2 所示，主要包括喷嘴与流体域两个部分，分别研究喷嘴入射角和喷嘴高度对气力清扫效率的影响。喷嘴、入射角入射角1020喷嘴厂而且有利于提高迭代计算的精度。合理的边界条件则更有利于迭代计算的收敛。将绘制好的流体区域先利用CFD前处理软件绘制出流体区域，以便后期在Fluent中对流体域进行识别。由于流场结构比较简单，进行网格划分。单元尺寸设为1mm，利用MultiZone方法绘制六面体网格，其中斜度最大值为0.2 9，单元数量为7 12 9 3，网格质量符合要求。经过比较分析，在单元尺寸设置保持一致的情况下，MultiZone方法生成的网格相比较于四面体网格和六面体主导网格在斜度数值和网格数量方面都占有优势。因此网格选用MultiZone方法生成的六面体网格。1.2EDEM参数设置离散相在EDEM中进行求解，EDEM会根据输入的颗粒粒径、密度和形状等信息计算出颗粒的体积和质量。EDEM中详细参数设置如表1所示，颗粒材料和几何材料物性参数包括密度、泊松比和剪切模量。接触参数包括颗粒-颗粒和颗粒-几何间的静摩擦系数、动摩擦系数和碰撞恢复系数。颗粒采用非球形颗粒来模拟颗粒真实形状，如图3 所示，颗粒的长宽高均在4 mm左右。设置好与Z轴负方向保持一致的重力加速度，由于针对单个颗粒进行研究，使用Hertz-Mindlin无滑移接触模型。表1EDEM详细参数设置名称接触模型颗粒泊松比颗粒密度（kg/m）颗粒剪切模量（Pa）几何泊松比几何密度（kg/m）几何剪切模量（Pa）颗粒-颗粒间碰撞恢复系数颗粒-颗粒间静摩擦系数颗粒-颗粒间动摩擦系数颗粒-几何间碰撞恢复系数颗粒-几何间静摩擦系数流休域颗粒-几何间动摩擦系数(2.05895,1.92578,2.34294)02868mm(-2058952.1029,2.34294)入射角入射角3040流体域数值Hertz-Mindlin0.2514003e+080.378501e+090.60.20.020.50.30.034.3.5942mm(2.30047,1.92578,2.34294)入射角504:65059mm喷嘴高度喷嘴高度喷嘴高度喷嘴高度口喷嘴高度1m1.5mm图2 流场模型示意图网格划分和边界条件的设定是CFD计算中重要的一部分，高质量的网格不仅可以捕捉计算域中微小的流体特征，20m2.50m30m(2.30047,1.92578,-2.30765)205895.2.1029:-230765)4-02868mm4.35942mm(2.30047,2.1029,2.30765)图3 非球形颗粒-33-在距离喷嘴10 0 mm处设置5 mm5mm的正方形颗粒工厂，总共产生一个颗粒，颗粒不设置初始速度，通过自由落体到静止状态。待颗粒完全静止后，将此状态下的颗粒状态导出为一个新的EDEM执行文件，并将时间重新设置为Os。此操作是将颗粒先单独生成，之后再将生成的颗粒与气液相进行耦合，可以避免颗粒生成瞬间残差曲线异常导致的计算发散现象，从而保证耦合计算的正常进行。固体颗粒在发生接触碰撞过程中，以瑞利波形式消耗的能量占总能耗的7 0%，时间步长应设置在2 0%以下。据此将时间步长设为2 e-06s。将耦合接口的工具窗口打开，使EDEM处于监听耦合信号状态，等待与Fluent建立连接。1.3Fluent参数设置要建立气-液相的分界面模拟真实情况，故在Fluent中使用VOF多相流模型，总共设置两相，液体为第一相，气体为第二相，颗粒离散相则是在EDEM中进行求解。采用耦合式算法，将流体域范围利用Mark功能标记出来，后利用Patch功能将流体区域分为空气区域和含水区域，含水区域的高度为1mm，如图4 所示，分别为水和空气的体积分数示意图。Volume fraction(water/)0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90100图4 流体域中水和空气的体积分数Fluent中，合理的边界条件更有利于计算的收敛，确定Fluent中详细参数设置如表2 所示，入口处采用速度入口，大小为10 m/s13，出口处采用压力出口，表压为0，即与大气压相等。电力的产生是由于颗粒与流动气体之间有速度差，一般而言分为两种情况：颗粒速度小于流体速度和颗粒速度大于流体速度。前者会对颗粒产生力，后者会对颗粒产生阻力。其具体表达式如下：FD=1-8其中V为颗粒体积，为局部动量交换系数，为空隙比例，为ur流体速度，up为颗粒速度；由于在三相流中，颗粒和流体各自占据着一定体积分数，两者动量的交换与空隙率息息相关。电力模型采用Gidaspow（Er g u n&We n-Y u）电力模型，其会根据空隙率的不同，选择不同的曳力计算公式，在稀相时由Wen-Yu提出的公式进行计算，在密相时由Ergun提出的公式进行计算，具体计算方法如下：Viurelglf drag,i=1-8gp-gl式中由下式求得：=Egddp其中，Ca由式求得。-34-表2 Fluent中详细参数设置参数单位密度气相液相粘度气相液相入口处速度出口处表压电力模型求解方法重点研究的是颗粒离散相的运动学研究，故Fluent中数据保存频率可适当减少，设置为每10 0 0 个时间步保存一次数据。EDEM中时间步长为2 e-6s，Flu e n t中时间步长应为此数值的整数倍，出于对计算时间和计算资源的多方面考量，Fluent中时间步长设为2 e-4s。1.4耦合算法及流程在CFD-DEM发展过程中，曾出现过三种耦合算法。在第一种耦合算法中，颗粒相对气液相的作用力由局部平均法求得，而气液相对颗粒相的作用力则根据各颗粒速度单独求得。在第二种耦合算法中，颗粒相对气液相的作用力计算方法与第一种耦合算法相同，而后按照一定的平均法则，由该力求得气液相对每个颗粒的作用力。第三种耦合算法在每一个时间步长内，首先计算单个颗粒所受到的气液固相互作用力，然后将流体计算网格中颗粒所受气液固相互作用力求和计算得到该网格内气相受到的相互作用力。比较可知，第一种耦合算法无法保证网格内气相和颗粒相所受到的相互作用力相等，因而不满足牛顿第三定律；第二种耦合算法虽然满足牛顿第三定律，但将颗粒相的受力进行了平均处理，这与实际情况不符，因而本文采用第三种耦合算法。颗粒与其周围气体液体的相互作用形成气固、液固相互作用力，主要包括电力、浮力、压力、梯度力、附加质量力、Basset力、Saffman力、Magnus力等。为简化计算，本文只vp(uf-up)(1)(2)g 0.8)dp(eg 0.8)数值kg/m1.225998.2kg/m-s1.7894e-050.001003m/s10Pa0Gidaspow(Ergun&Wen-Yu)Coupled考虑曳力和浮力的影响。因此，相互作用力计算公式如下：fp-g.i=f B,i+fdrag,i(4)其中，f B,i=-PggVi式中fB；和farag,i分别表示颗粒i受到的浮力和电力，Vi表示颗粒i的体积。三相间通过动量交换实现耦合，动量交换量的计算公式如下：S=Z(f-g.i式中V是控制体的体积，n是该控制体内颗粒的个数。耦合流程为Fluent首先根据初始条件计算气体流场，然后将控制权传递给EDEM；ED EM 求解一个时间步长后颗粒的速度和位置，并将此信息和控制权一并传回Fluent；Fl u e n t(3)根据气体流场和颗粒速度及位置信息计算该时间步长各网格的空隙率和相见相互作用力，并通过相互作用力求得相间的动量交换量；将相互作用力数据传递给EDEM供其求解下一(5)(6)时间步长的颗粒相，同时将空隙率和动量交换量传递给Fluent供其计算下一时间步长的气体流场；完成上述步骤后，程序进入下一个时间步长，开始由Fluent对气体流场进行计算。2仿真结果及分析2.1液面变化和流速场分布喷嘴入射角不同。气流速度流场和水相体积分数云图如图5 和图6 所示，可以看出，在通过改变喷嘴入射角建立的五种模型中，气流均对自由液面进行了一定程度的吹动，这也说明EDEM与Fluent的联合仿真在一定程度上可以对实际生产中的气力清扫湿性颗粒进行模拟。速度流场云图中气流所能到达的最远距离是随着喷嘴入射角的增大而逐渐增大的，这在水相体积分数云图中也有所体现，水相涵盖范围是随着喷嘴入射角增大而逐渐减小的，这正是由于气流的吹送导致，气流吹送距离越远，水相被吹送的距离相对应的就越远。Velocity Magnitude(miture)(m/s)图5 入射角不同气流速度流场变化ton(watern)O:000.100.200.300.400.500.60图6 入射角不同液面变化喷嘴高度不同。气流速度流场和水相体积分数云图如图7 和图8 所示，可以看出，在喷嘴高度为1mm的工况中由于喷嘴对液面有一个直接的吹送作用，液面移动的距离较远。而喷嘴高度为其他尺寸的工况下，由于喷嘴下底面与地面不在同一高度，气流与液面不能产生直接接触，从而液面吹送的效果不明显。随着喷嘴高度的增加，气流流场作用范围能到达的距离随之减小，这是由于重力作用，喷嘴高度越高，气流在竖直方向上下沉效果越明显。水相仅在喷嘴高度为1mm时被明显吹动，而在喷嘴高度为1.5、2、2.5、3 mm时，水相均没有明显吹动，仅在入口处和出口处有小范围移动。Velocity Magnltude(mldure)Lm/s110.00voume traction(water)0.00图8 喷嘴高度不同液面变化2.2固体颗粒运动变化一一喷嘴入射角不同。图9 是喷嘴倾角不同时，颗粒在气流作用下的运动情况，可以看出，喷嘴与水平面所成角度越大，颗粒的运动距离越远，即喷嘴入射角越大，颗粒所能到达的最远距离就越大。但喷嘴的入射角大小对颗粒的起动时间影响较小，5 种工况下的颗粒起动时间相差不大。200一入射角为10 一入射角为2 0 一入射角为3 0 180一入射角为4 0 一入射角为5 0 1601.022.040.801.612.41 3.214.014.825.626.427.228.038.8310.030.080.160.240.32:0.400.480.560.640.720.000.88:1.003.074.095.116.137.150.708.180.809:200.9010.22.001401201000喷嘴高度不同。颗粒位置关于时间图像如图10 所示，可以看出，喷嘴高度为1mm相较于其他四种情况，颗粒起动时间较长，且颗粒运动距离较短，此工况下，颗粒的持续运动能力较弱，颗粒运动位移较短。喷嘴高度由1.5 mm逐渐增加到3 mm时，颗粒起动时间逐渐减小，且颗粒均能运动到气流终点处。200180(l)*1601401201时间(s)图9 喷嘴入射角不同颗粒位置变化2喷嘴高度为1mm喷嘴高度为1.5 mm喷嘴高度为2 mm喷嘴高度为2.5 m一喷嘴高度为3 mm1000图7 喷嘴高度不同气流速度流场变化-H图10喷嘴高度不同颗粒位置变化1时间（s）2-35-2.3固体颗粒起动情况一一喷嘴入射角不同。将喷嘴入射角不同的5 种工况下颗粒的起动时间进行总结，如表3 所示，喷嘴入射角对颗粒起动的影响比较小，这是由于入射角的存在使流场最终一定是紧贴地面吹向颗粒的，在这种情况下，气流对颗粒的作用范围仅有贴近地面的一部分，这就使得入射角对颗粒起动的影响较小。且在气流速度为10 m/s，靶距为10 0 mm工况下，颗粒起动时间均在0.2s附近。将各个入射角及其对应的颗粒起动时间组成数据点进行拟合分析，直线斜率很小，近乎水平，这再次印证了喷嘴入射角的改变对起动时间的影响很小的结论，入射角改变，而起动时间总是在0.2 s左右波动。表3 喷嘴入射角与颗粒起动时间序号喷嘴入射角/110220330440550一喷嘴高度不同。由颗粒起动时间和喷嘴高度（表4）可分析得知，喷嘴高度为2、2.5、3 mm时，颗粒起动时间较短，喷嘴高度为1mm时，颗粒起动虽然也比较快，但由颗粒位置-时间图像可以看出，此工况下，颗粒的持续运动能力较弱，颗粒运动位移较短。由起动时间-高度拟合图像可知，随着喷嘴高度的增加，颗粒起动时间呈现下降趋势，吹送颗粒中上部位比吹送中下部位吹送效果好。表4 喷嘴高度与颗粒起动时间序号喷嘴高度/mm1121.53242.5533结论研究结果表明：运用EDEM-Fluent耦合仿真可以有效模拟湿性混凝土颗粒的气力清扫过程，通过EDEM建立固体颗粒，通过Fluent建立气相和自由液面，使模型更加接近真实工况。通过研究喷嘴入射角和喷嘴高度两个因素，进行单因素EDEM-Fluent的耦合仿真，得到气流速度流场云图、液面变化云图和颗粒的运动情况和起动情况经过分析发现喷嘴入射角对颗粒起动影响较小，相对而言，入射角为10 时颗粒起动最快。喷嘴吹送位置为颗粒中上部位置时，气力清扫的效率最高且固体颗粒运动距离最远。【参考文献】1陆永光，胡志超，林德志，等，基于CFD-DEM花生英颗粒起动时刻/s果管道输送过程数值模拟 中国农机化报，2 0 16，0.1637(6):104-109.0.252王建明，邱钦宇，何讯超，搅拌罐内基于EDEM-FLUENT0.20耦合的多相流混合数值模拟 .郑州大学学报(工学版),0.212018,39(5):79-84.0.193 胡昱，黄小华，陶启友，等基于CFD-EDM的自动投饵饲料颗粒气力输送数值模拟 J.南方水产科学，2 0 19，15(3):113-119.4 雒春升.振荡流输送气固两相流的试验和CFD-DEM模拟研究 D.镇江：江苏科技大学，2 0 19.5 王晓晨.油茶果气力收集系统数值模拟及试验研究 D.长沙：中南林业科技大学，2 0 2 0.6李志华，赵宪冰，胡立皓，等在气力输送弯管中炭黑的输送特性分析 .橡胶工业，2 0 2 1，6 8(10):7 6 9-7 7 3.7李俊杰.基于CFD-DEM方法的管道带电颗粒流气力输送模拟 D.兰州：兰州大学，2 0 2 1.8 胡传新，白景峰，薛永华紊流度对煤炭颗粒起动和来流风速影响研究 中国矿业大学学报，2 0 16，4 5(1):189-194.颗粒起动时刻/s9汤碧辉，孙红月泥石流中大颗粒的起动与水流条件的0.07关系 J自然灾害学报，2 0 17，2 6(3):13 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