工业气力输送管道中多组分柔性颗粒系统输送特性的数值模拟研究及其混合均匀性优化

本研究针对工业气力输送系统中多组分柔性颗粒（如烟丝、烟梗等）混合不均匀的关键问题，采用CFD-DEM耦合方法与键合颗粒模型（BPM），结合粗粒化方法提升计算效率。通过构建不同组分/尺寸的柔性颗粒链，揭示了管道中后段混合更优、24 m/s气流速度下组分速度差异最小的规律，发现高密度颗粒在弯管处的壁面粘附现象，为工业级多组分柔性颗粒输送系统优化提供了方法论指导。

　　

在烟草、食品和生物质加工等领域，气力输送系统中多组分柔性颗粒的混合均匀性直接影响产品质量和生产效率。然而，现有研究多聚焦单组分纤维颗粒，对工业场景中普遍存在的多组分系统（如烟丝、烟梗和膨胀烟丝的混合输送）缺乏深入认知。这些颗粒因密度、形状和尺寸差异产生复杂相互作用，导致输送过程中出现组分分离、壁面粘附等问题，严重制约生产效率。

为破解这一难题，国内研究人员在《Powder Technology》发表研究，创新性地将计算流体力学-离散元方法（CFD-DEM）与键合颗粒模型（BPM）相结合。通过构建包含三种烟草组分（密度分别为1100/1200/600 kg/m³）的柔性颗粒链，采用粗粒化方法将原始系统颗粒数从8054万降至8038个，实现工业级管道的高效模拟。实验验证显示，模型能准确捕捉颗粒速度分布和停留时间特征，误差控制在工程允许范围内。

关键技术包括：1）基于BPM构建不同长度（1-47.4 mm）的柔性颗粒链；2）采用EMMS-DPM粗粒化模型提升计算效率；3）通过GPU加速三维计算实现复杂流场耦合；4）使用PIV技术验证流体化床实验数据。

研究结果揭示：

1. 空间分布特性
   水平弯管段出现显著离心效应，高密度烟梗颗粒（1200 kg/m³）外壁聚集率达29.3%，而低密度膨胀烟丝（600 kg/m³）保持中心流动。垂直弯管段重力-离心力耦合使颗粒分布范围从0.67m缩至0.44m。

2. 组分运动差异
   膨胀烟丝因密度最低，峰值速度达7.4 m/s（较烟丝/烟梗高34%），但停留时间波动剧烈（9-17s）。烟梗因密度最高，停留时间延长2秒以上，在21 m/s流速下平均停留22秒。

3. 流速优化效应
   24 m/s流速使颗粒停留时间缩短13.6%，且组分间速度差异最小。但当流速升至27 m/s时，前端出现颗粒分离现象，反而不利于混合均匀性。

这项研究首次系统阐明了工业管道中多组分柔性颗粒的动态行为规律，提出24 m/s为最优输送流速。其创新点在于：1）建立适用于复杂组分体系的粗粒化BPM模型；2）量化弯管段颗粒聚集与组分分离的定量关系；3）发现中后段管道混合更优的"自均化"现象。该成果不仅为烟草行业输送工艺优化提供直接依据，其方法论更可推广至食品、制药等领域的多相流系统设计，对提升工业过程能效和产品质量具有重要工程价值。