基于CFD-DEM耦合与粗粒化方法的多组分柔性烟草颗粒气力输送混合均匀性研究

推荐：为解决工业气力输送中多组分柔性烟草颗粒混合不均问题，研究人员采用CFD-DEM耦合与粗粒化方法，构建Bonded Particle Model(BPM)模拟颗粒链，结合EMMS-DPM模型提升计算效率。研究发现24 m/s气流速度下组分速度差异最小，水平与垂直弯管处颗粒呈现壁面黏附现象，为工业级多组分柔性颗粒模拟提供方法学指导。

　　

在烟草、农业和食品工业中，柔性颗粒材料的气力输送过程普遍存在混合不均、颗粒团聚等技术难题。传统研究多聚焦单一组分系统，而实际工业生产中多组分混合物的输送均匀性直接关系到产品质量。尤其对于烟草行业，切丝烟草（cut tobacco）、烟梗（cut stems）和膨胀烟丝（expanded cut tobacco）等不同密度、形状的组分在输送过程中易发生分离，导致后续加工环节的配方偏差。

中国科学院过程工程研究所的研究人员通过耦合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)与离散元法(Discrete Element Method, DEM)，创新性地采用键合颗粒模型(Bonded Particle Model, BPM)构建柔性烟草颗粒链，结合能量最小化多尺度稠密离散相模型(Energy-Minimization Multi-Scale Dense Discrete Phase Method, EMMS-DPM)进行粗粒化处理，成功实现了工业级管道的多组分烟草颗粒输送模拟。这项发表在《Powder Technology》的研究，为复杂柔性颗粒系统的工业化模拟提供了新范式。

研究团队运用三大关键技术：1) 基于BPM的柔性颗粒建模，通过距离约束网络模拟不同长度/密度的烟草颗粒；2) 粗粒化方法将实际颗粒按10:1比例聚合，在保持动力学特征的同时降低计算量；3) CFD-DEM双向耦合算法，采用SIMPLE压力-速度校正求解流场，结合Hooke接触模型计算颗粒碰撞。

研究结果揭示多个重要发现：
4.1 烟草颗粒空间分布特性
水平弯管段中，高密度烟梗和切丝烟草因离心力紧贴外壁，而低密度膨胀烟丝(<600 kg/m³)集中于管中心。垂直弯管处颗粒受重力与离心力双重作用，烟梗的壁面黏附现象尤为显著。

4.2 三类烟草颗粒特性分析
膨胀烟丝因密度最低，速度峰值达7.4 m/s，比烟梗快35%。单独输送时膨胀烟丝停留时间仅14秒，但混合输送时因颗粒缠绕延长至19秒，证实多组分系统存在复杂相互作用。

4.3 不同气流速度的影响
24 m/s气流速度下组分间速度差异最小，混合均匀性最佳。相比21 m/s，该工况使颗粒平均停留时间缩短13.6%，但进一步提高至27 m/s反而导致颗粒分离。

这项研究首次系统阐明了工业管道中多组分柔性颗粒的混合机制，其重要意义体现在三方面：首先，建立的BPM-粗粒化耦合框架为类似纤维状材料的模拟提供通用方法；其次，发现24 m/s为最优气流速度，可直接指导生产线参数优化；最后，揭示的壁面黏附规律为管道防磨损设计提供理论依据。研究团队特别指出，未来需针对弯管几何结构和曳力模型开展深入优化，以进一步提升模拟精度。这些发现不仅适用于烟草行业，对农业纤维、生物质燃料等领域的颗粒输送同样具有重要参考价值。