本科毕业论文（设计）
（普通高等教育）

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螺旋输料机运送颗粒物料过程的三维离散元法数值模拟
机械设计制造及其自动化
指导教师
摘要
　　在大型工业，药品和农产品包装上，螺旋送料机得到了广泛的应用，用来通过短距离到中等距离提升大体积材料。对于干燥固体颗粒，它们是非常有效率的输送装置，能很好的控制整个吞吐量。虽然设备很简单，但是机器的运输动作非常复杂，设计者现在倾向于极大程度上依赖于经验的工况数据。一个螺旋输送机的工作情况受操作条件影响，比如：螺旋叶片的旋转速度；螺旋输送机的倾斜程度；大体积材料的体积填充程度。
　　在这篇论文中，结合离散元方法，通过使用PFC3D对一个有着周期性边界条件的单节距螺旋送料机的动态过程进行数值模拟，检验了这些操作条件如何影响螺旋输送机的表现，即螺旋输料机内的颗粒流的运动情况与影响因素之间的关系。从而实现，在操作条件改变之前，根据变量不同对螺旋输料机的工作情况给出准确的预测，进而可以根据粒子运动规律分析螺旋输料机设计的最优方案及最佳操作条件。
关键字：螺旋输料机，离散元， PFC3D，模型，颗粒流

A three-dimensional numerical simulation of the screw conveyor transport process of granular materials with Discrete Element Method
Mechanical design, manufacturing and automation 07-2    Shan Danni
Supervisor    Li Yanjie
Abstract
　　　In large industry, pharmaceutical and agricultural products packaging, the screw conveyor has been widely used, for transporting and/or elevating bulk materials over short to medium distances. They are very effective conveying devices for dry particulate solids, giving good control over the throughput. Despite their apparent simplicity, the mechanics of the transportation action is very complex and designers have tended to rely heavily on empirical performance data. The performance of a screw conveyor is affected by the operating conditions, such as: the rotational speed of the screw； the inclination of the screw conveyor； and the volumetric fill level of the bulk material.
　　　In this paper, examining how these operating conditions influence the performance of a screw conveyor by applying the Discrete Element Method (DEM) to simulate a single-pitch screw conveyor with periodic boundary conditions, that is the relationship between motion of particle flow inside the screw conveyor and influencing factors. The PFC3D modelling gives correct predictions of screw conveyor performance in terms of variations due to changes in the operating conditions. Then can analyze the optimal design and operating conditions according to the motion laws of particle.
Key words：screw conveyor, Discrete Element Method, PFC3D, model, particle flow

目录
1 绪论 6
1.1前言 6
1.2螺旋输料机概述 6
1.3 离散元法简介，应用及发展前景 8
1.3.1简介 8
1.3.2工业上的大量应用 9
1.3.3发展和前景 9
1.4 本文使用的离散元软件PFC3D 10
1.4.1 背景和概况 10
1.4.2 一般特征 11
1.5 螺旋输料机中颗粒流的数值模拟方法 12
1.5.1连续介质模型 12
1.5.2非连续介质模型 13
1.6 本章小结 13
2 PFC3D构建模型的一般法则 14
2.1 PFC3D的粒子流模型 14
2.2 离散元法 15
2.3 计算周期 15
2.3.1 力-位移法则 16
2.3.2 运动法则 22
2.4 边界和初始条件 23
2.5 机械时间步长的测定 24
2.5.1 用于求解稳定性的估算程序 24
2.6 差分密度缩放 27
2.7 机械阻尼 27
2.7.1 局部非粘性阻尼 28
2.7.2 滞后阻尼的相似性 28
2.8 本章小结 31
3 PFC建模求解及颗粒生成 32
3.1  建模前期准备——绘制模型草图 32
3.2  建模求解方法 32
3.3 颗粒生成方法 33
3.3.1 粒子集合类型的选择 33
3.3.2 不规则装配的创建 34
3.3.3 利用半径扩大法和filter函数生成料筒内的颗粒 35
3.3.3.1 filter函数 35
3.3.3.2 半径扩大法 35
3.4 模型建立 37
3.3.1 螺旋输料机建模 37
3.3.2  生成颗粒初始集合及设定工况 38
3.5 螺旋输料机倾斜角度的改变 39
3.4  本章小结 40
4 螺旋输料机仿真及结果 41
4.1  螺旋输料机内的粒子分布 41
4.1.1  不同螺杆速度下的粒子分布 44
4.1.2  不同体积填充率下的粒子分布 48
4.2  实验结果的对比 50
4.3  颗粒运动速度 51
4.3.1  平均粒子速度的不同 51
4.3.2  平均粒子轴向速度 52
4.3.3  平均粒子旋转速度 53
4.3.4  平均粒子速度变化的总结 55
4.4  质量流速率 55
4.5  本章小结 57
5 结论与期望 58
5.1  结论 58
5.2  展望 59
致谢 60
参考文献 61
附录A：正式计算程序 62
第一段：建模和颗粒生成至平衡 62
第二段：删除溢出颗粒 68
第三段：给壁面赋予速度，运输颗粒 69
第四段：质量流速率的计算 70
第五段：记录数据并输出 74