自推进强度对颗粒介质中侵入体上升动力学的调控机制及其在工业气力输送中的应用研究

本研究针对工业气力输送系统中多组分纤维柔性颗粒分布不均、运动协调性差的难题，采用BPM构建柔性颗粒链模型，结合CFD-DEM耦合方法和粗粒化技术，揭示了24 m/s气流速度下不同组分速度差异最小、混合均匀性最佳的规律，为工业级多组分柔性颗粒模拟提供了方法学指导。

　　

在烟草、农业和生物质工程等领域，气力输送系统中多组分柔性颗粒的混合均匀性一直是制约生产效率的关键瓶颈。传统研究多聚焦单一组分颗粒体系，而实际工业场景中，切丝烟草、梗丝和膨胀烟丝等不同密度、形状的组分混合输送时，常出现组分偏析、管壁粘附等问题。尤其当气流速度从21 m/s提升至27 m/s时，颗粒运动轨迹和停留时间的非线性变化更增加了工艺调控难度。

中国科学院过程工程研究所的研究团队在《Powder Technology》发表的研究中，创新性地采用键合粒子模型(BPM)构建了包含切丝(1100 kg/m³)、梗丝(1200 kg/m³)和膨胀烟丝(600 kg/m³)的多组分柔性颗粒链，通过CFD-DEM耦合模拟结合粗粒化技术(EMMS-DPM)，实现了工业级管道的全尺度仿真。研究首次系统揭示了气流速度对三类颗粒空间分布和运动协调性的调控规律，发现24 m/s为最优气流速度，此时组分间速度差异较21 m/s和27 m/s分别降低37%和29%。

关键技术包括：1)基于Hooke模型的BPM构建多尺度柔性颗粒链；2)采用EMMS-DPM粗粒化方法将8千万颗粒简化至8千颗粒级；3)通过GPU加速三维计算捕捉颗粒-流体耦合作用；4)工业级77米管道多区段网格划分技术。

空间分布特性
水平弯管段：离心力导致高密度梗丝和切丝贴附外壁，膨胀烟丝集中于中心流场。垂直弯管段：重力与离心力耦合使梗丝呈现明显"贴壁-沉降"双阶段运动。直管段：膨胀烟丝因密度低呈现均匀弥散分布，验证了中后段管道混合均匀性优于前段的结论。

颗粒运动特征
速度分析显示膨胀烟丝峰值速度达7.4 m/s，比梗丝高34%。停留时间分布表明梗丝因密度最大需22秒，较膨胀烟丝延长57%。单独输送实验证实多组分交互会加剧膨胀烟丝的运动阻滞效应。

气流速度优化
24 m/s工况下颗粒停留时间较21 m/s缩短13.6%，且速度分布标准差降低42%，证明适度提升气流速度可抑制颗粒团聚。但27 m/s时因湍流增强导致组分偏析重现。

该研究建立了首个适用于工业级多组分柔性颗粒的CFD-DEM模拟框架，其提出的粗粒化方法使计算效率提升10⁴倍。发现的最优气流速度24 m/s为实际生产提供了关键参数指导，而揭示的弯管段颗粒贴壁机制为耐磨材料局部强化设计奠定了理论基础。研究范式可拓展至生物质燃料、纺织纤维等柔性颗粒输送系统的优化设计。