用于有机矿物肥料的工业规模旋转滚筒干燥机的XDEM仿真

《Biosystems Engineering》：XDEM simulation of an industrial-scale rotary drum dryer for organo-mineral fertiliser

本研究采用四向耦合的XDEM方法模拟有机矿物肥料干燥过程，探究轴对称、平面及三维旋转鼓干燥域的准确性，结果显示水分含量RMSE为0.5%，温度0.8-7.5℃，颗粒破碎1.46%，结块0.58%，磨损1.247×10^-9 kg m^-2 s^-1，验证了模型可靠性。通过对比全三维、轴对称及平面二维模型的计算效率（1:0.8681:0.4438），证明二维对称模型可显著降低计算成本而不影响精度，为肥料生产线自动化提供基础框架。

　　该研究探讨了新一代有机-无机复合肥料（25.5.5 NPK，含8% SO?）在旋转干燥机中的干燥过程，通过计算流体动力学（CFD）与扩展离散元方法（XDEM）的四向耦合模拟，分析了干燥过程中的关键因素。研究重点在于评估干燥模拟的准确性、颗粒停留时间、群体流动路径、热量和质量传递、颗粒破碎、凝聚和磨损等现象，同时探索使用对称域模型是否能在不牺牲精度的前提下显著降低计算成本。

有机-无机复合肥料相比化学肥料，对人类和土壤健康更为有益。这类肥料的制造流程通常包括造粒、干燥、冷却、筛分和包装等多个阶段。然而，在实际生产中，确定最佳干燥条件、复杂的干燥动力学以及制造线的操作参数对生产者构成了挑战。为了提高干燥效率，研究人员和生产商不断尝试优化工艺。本研究的核心目标是提供一种精确且快速的方法，以确定新一代有机-无机复合肥料颗粒的干燥条件。

在工业规模的干燥过程中，常用的干燥设备包括微波、超声波、感应、电阻、对流、传导或辐射干燥器。然而，由于肥料干燥鼓通常在相对较低的温度下运行，且不会发生颜色变化，因此辐射传热可以忽略。旋转干燥机在农业（肥料干燥）和医药（药物包衣）等多个领域都有广泛应用。它们不仅用于加热，也可用于冷却，具体取决于工艺需求。干燥机通常由连接到长圆柱形框架的风扇组成，该框架可能相对于纵向轴略带倾斜。在不同的工艺中，颗粒固体群体的运动和气体流动可能方向相同或相反，例如流化床、振动筛、煅烧炉、料斗、旋转干燥机、旋转鼓、喷流床和打散机等。

在干燥过程中，会发生多种现象，如积聚（凝聚）、结块、聚结、颗粒破碎和粉尘形成、化学腐蚀、碰撞、机械磨损、旋转运动、混合物的运输、湍流以及流体、颗粒和壁之间的同时热量、湿度和动量传递。这些现象对干燥效率有重要影响。颗粒的积聚或粉尘形成会降低工艺效率，因为这些颗粒需要重新循环到整个工艺流程中，从而影响最终产品的质量。确定干燥参数在经济性和质量方面都是一项重要挑战，同时，试错法并不经济。此外，直接日晒干燥由于天气条件不稳定，也不适合使用。

为了解决这些问题，研究采用模型化方法。目前，干燥应用中的建模仍是一个研究空白。除了回归或解析模型，现代人工神经网络（ANN）和模拟技术被认为是设计、分析、优化、建模和预估最实用和经济的工具。流体流动可以通过CFD方法进行模拟，其基础是求解纳维-斯托克斯方程。离散元方法（DEM）则基于牛顿运动方程计算颗粒运动。CFD和DEM的联合模拟可以提供一种耦合的模拟方法，用于分析流体、颗粒和环境之间的相互作用。这种耦合方法被称为扩展离散元方法（XDEM）。本质上，CFD需要优化的网格尺寸和质量以确保精确计算，而DEM则不需要任何网格化的域。然而，CFD和DEM都需要优化的时间步长以确保模拟的准确性。在CFD模拟中，可以通过软件辅助的数值方法（如有限体积法）求解流体中质量、动量和能量传输的偏微分方程。CFD软件可以计算流体的瞬时属性，如速度、雷诺数、系数和温度，而DEM可以计算颗粒的瞬时属性，如位置、重叠、速度、密度、相对雷诺数和滚动半径等。DEM跟踪每个颗粒的位移和碰撞，而XDEM也可以计算颗粒与流体之间的相互作用。

碰撞可以通过接触方法进行建模，称为软球（DEM）或硬球（非光滑DEM）方法。在硬球方法中，碰撞过程中不会发生穿透或变形，仅通过冲击定律和恢复系数即可跟踪颗粒的运动和能量损失。这种方法在非密集流动的固体颗粒中更为适用，尤其是在颗粒具有高速但低固体分数的情况下，且多个接触并不重要时。每个时间步长仅计算一次碰撞，不考虑多个接触。时间步长的大小取决于后续碰撞之间的时间间隔。硬球模型在流化床中模拟颗粒材料的分离，以及在倾斜平面或溜槽中模拟颗粒流动方面表现良好。

相比之下，软球方法最初是为了动态模拟颗粒材料而开发的。它允许在每个时间步长中计算多个同时碰撞和重叠接触。接触力是通过颗粒重叠来计算的。该方法适用于颗粒具有低速度和高固体分数的情况，其中颗粒与颗粒、颗粒与壁之间的相互作用影响其运动。软球方法在旋转干燥机、混合机、高剪切造粒、包衣、研磨或模具填充等过程中，能有效计算颗粒材料的动态行为。

本研究分析了新一代有机-无机复合肥料的干燥过程，该肥料由氮、磷、钾、有机质（如 Leonardite）、微量元素和水分组成。精确的水分控制（16–40%）至关重要。过多的水分会导致颗粒通过内聚/粘附力发生聚集，而过少的水分则会导致颗粒破碎。这两种情况都会降低后续筛分的效率，需要对聚集或破碎的颗粒进行再处理，从而影响最终产品的质量。为了优化旋转干燥机的性能，研究采用CFD-DEM模拟，并使用二维对称域来减少计算负担，同时保持模拟的准确性。尽管之前的研究使用二维域模拟了热量/水分传递、颗粒停留时间和颗粒收缩（通常简化颗粒几何），但关于耦合热量/水分动态的三维分析仍较为有限。例如，尽管存在不对称的颗粒流动路径，但仍然使用二维域进行模拟。本研究提出的问题是：在对称的旋转干燥机域中进行颗粒注入的二维模拟是否可以在不牺牲精度的前提下节省计算时间？研究假设，使用简化二维对称域的四向耦合XDEM模拟能够准确模拟干燥行为，同时显著降低计算成本。

已有研究表明，CFD-DEM耦合模拟在多个领域有广泛应用。然而，其准确性和计算成本主要取决于材料类型、多物理模型、假设条件、耦合类型和域几何。本研究的关键进展包括：首先，有机-无机复合肥料的干燥模拟在文献中几乎缺失，而化学肥料的干燥模拟则较为丰富。现有的基于回归的数学或经验干燥模型并不擅长捕捉新一代NPK复合肥料的行为，预测其水分含量仍然是一个挑战。本研究在材料（25.5.5 NPK，含8% SO?）和四向耦合（处理磨损、破碎和聚结）方面具有创新性。其次，由于有机-无机复合肥料的复合结构，水分蒸发取决于干燥鼓与空气的湿度、温度以及肥料的成分，尤其是氮。因此，模拟不仅需要流体与颗粒之间的热量传递，还需要水分传递。为此，研究创建了新的颗粒混合材料（挥发性液态水+固体）和新的流体混合材料（水蒸气+干燥空气），以实现水分传递。最后，本研究针对一家生产25.5.5 NPK复合肥料的工厂，探讨了基于对称模型的模型简化，除了完整的三维模型，还使用了轴对称和二维对称域进行分析。

本研究的目标是开发并验证一种四向耦合的XDEM框架，该框架模拟热量、质量、动量和物种传递，以及颗粒尺度的相互作用（如破碎、凝聚和磨损，以及温度和水分分布）。同时，研究旨在通过系统评估轴对称或二维对称域是否能替代完整的三维域，从而在不牺牲模拟精度的前提下，实现肥料干燥机的低成本、可扩展设计。附带的补充文件包括颗粒属性的实验程序、流体流动和颗粒运动的数学模型、时间步长和网格独立性分析、壁面粗糙度模型、多相模型和耦合类型等内容。

在实验部分，研究通过实验室对颗粒和流体进行表征，以计算模型参数并确保模拟的准确性。同时，在工业规模的干燥机上进行实验测量，用于比较和验证模拟结果。拖曳力、恢复系数和其他现象依赖于颗粒的水分含量和干燥条件。因此，对具有初始水分含量的样品进行颗粒表征测试。此外，研究还关注了干燥鼓的几何结构和对称域，以及不同流速下颗粒流动的特性。通过实验和模拟的结合，研究能够更全面地了解干燥过程中的各种因素，并为优化干燥工艺提供科学依据。

研究的验证部分显示，重力被分解为两个分量，分别为g_z = 0.85 m/s2和g_y = -9.77 m/s2，对应于5°的倾斜角度。这种简化通过比较两种无几何倾斜的案例进行了验证。一种案例中的重力分解为两个分量，对应于5°的倾斜角度，而另一种案例中的重力仅沿y方向。图4比较了这两种情况，涵盖了1秒的实际运行时间。如预期，使用两个分量重力的案例中，颗粒堆向出口移动。这表明在考虑倾斜角度时，重力分解对颗粒流动路径的模拟具有重要影响。

讨论部分指出，本研究通过CFD和DEM的四向耦合，分析了旋转干燥机中干燥过程的准确性，评估了不同域（轴对称、平面和三维）对预测颗粒、壁和流体之间所有相互作用的能力。准确的干燥模拟最需要精确预测水分传递和计算效率。干燥鼓的几何结构和对称域是研究的重点。以0.56 kg/s的流速持续80秒，将导致44.8 kg的颗粒混合物注入。其中，18%的颗粒混合物可能参与水分传递过程。

研究的结论表明，通过模拟有机-无机复合肥料的干燥过程，可以深入理解工业规模旋转干燥机的运行机制。研究采用CFD-DEM四向耦合方法，模拟了干燥过程中的热量传递，即通过温暖空气流与颗粒之间的对流。计算域在本研究中表现出轴对称、平面和周期性对称特性。研究评估并比较了计算负担、温度、水分、颗粒停留时间、磨损、破碎、聚结和颗粒分布等关键参数。这些参数的分析有助于优化干燥工艺，提高肥料生产效率。

本研究的作者贡献表明，Cem Korkmaz和?lyas Kacar在研究的各个阶段都做出了重要贡献，包括撰写、修改、可视化、验证、监督、软件开发、资源提供、方法论设计、调查和概念化。研究得到了Enginsoft公司的Dr. Can Kas?mbeyo?lu提供的CFD软件和Ansys Fluent?的支持。同时，Dita? Yedek Par?a ?malat ve Teknik Inc.和Mech. Eng. M.Sc. ?zkan Tun?提供了使用高性能计算机的机会。Numesys?公司、?ule A?ta?、Oktay Han?erli和G?khan Deveci帮助解答了关于CFD-DEM耦合的技术问题。此外，Prof. Dr. Kubilay Vursavu?在压缩过程中提供了帮助。

本研究的数据和代码可用性声明指出，不需要额外的数据或代码。研究资金来源表明，该研究未获得来自公共、商业或非营利部门的特定资助。研究声明了不存在可能影响本研究结果的竞争利益或个人关系。研究的致谢部分表达了对提供资源和技术支持的机构和个人的感谢，这些支持对于研究的顺利进行至关重要。

通过本研究，不仅为有机-无机复合肥料的干燥过程提供了科学的模拟方法，还为肥料生产行业的自动化和优化提供了基础框架。研究的创新性在于采用了四向耦合方法，对新一代肥料的特性进行了深入分析，并通过模型简化探索了计算效率的提升。这些成果对于推动肥料干燥技术的发展具有重要意义。