《Processes》：Numerical Simulation of the Discharge Process in Pulverized Coal Silos Based on a Coarse-Grained DEM Method
Zhiyong Zhang,
Tianxiao Chen,
Xiao Zhang,
Zhaoxi Liu,
Yi Wang,
Dong Li,
Xiaole Chen,
Kaixin Dai,
Huaichen Li and
Chun Ge
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传统的离散元方法（Discrete Element Method, DEM）能够追踪单个颗粒的运动细节，但在模拟涉及数百万甚至数十亿颗粒的大规模系统时，其计算代价过高。在本研究中，研究人员采用了一种粗粒化DEM方法来分析煤粉料仓中混合颗粒的流动行为。该方法在保
传统的离散元方法（Discrete Element Method, DEM）能够追踪单个颗粒的运动细节，但在模拟涉及数百万甚至数十亿颗粒的大规模系统时，其计算代价过高。在本研究中，研究人员采用了一种粗粒化DEM方法来分析煤粉料仓中混合颗粒的流动行为。该方法在保持合理模拟精度的同时，有效减少了计算颗粒总数，显著提高了计算效率。在开展网格与颗粒尺寸比和模型验证的研究之后，本文重点考察了煤颗粒尺寸分布和混合比对颗粒运动特性的影响。结果表明，在混合颗粒卸料过程中，出口附近中心轴区域颗粒的下落速度显著高于壁面区域，呈现出典型的漏斗流特性。颗粒尺寸分布对颗粒下落速度有显著影响。均匀分布情况下的下落速度最高，线性分布情况最低，而正态分布介于两者之间。值得注意的是，在正态分布情况下，中心轴区域的下落速度与均匀分布相似，而壁面区域的下落速度接近于线性分布，呈现出两种极端分布的组合特征而非简单的过渡状态。相比之下，颗粒混合比对整体运动特性的影响相对较小，颗粒质量流率和截面速度分布基本保持一致，仅在中心轴区域速度上略有差异。
散装储料仓是粉末储存的关键设施，在电厂中多煤种掺烧技术通过分层堆料实现重力驱动的卸料，但颗粒粒径与掺混比变化常导致堵煤与流动异常。传统离散元方法（Discrete Element Method, DEM）虽能追踪单颗粒运动细节，却因计算成本过高难以模拟含数亿颗粒的工业级系统。为此，研究人员引入粗粒化离散元方法（Coarse-grained Discrete Element Method, CGP-DEM）建立米级料仓模型，该方法将一组真实颗粒等效为一个计算颗粒，在保持系统总能量不变的前提下大幅减少计算量，同时保留颗粒间碰撞的显式解析，实现了计算效率与精度的平衡。相关研究发表在《Processes》期刊上。
研究中采用的关键技术方法包括：基于缩放定律（放大因子k=4）的粗粒化颗粒构建，采用线性弹簧阻尼模型（Linear Spring Dashpot, LSD）模拟颗粒碰撞，并在美国国家能源技术实验室（National Energy Technology Laboratory, NETL）开发的开源软件MFIX中实现。模型验证通过与Dai等人的实验结果对比完成，确认其捕捉宏观流动行为的高度一致性。模拟以龙王沟煤和印尼煤为对象，设定四种混合比（印尼煤与龙王沟煤填充高度比h=1:4、2:3、3:2、4:1）及三种粒径分布（均匀1.5 mm、线性1~2 mm、正态分布均值1.5 mm标准差0.5 mm），在纯颗粒流模型（忽略流体曳力，仅考虑重力、颗粒-颗粒及颗粒-壁面碰撞）条件下进行。
研究结果分为五个部分。3.1 网格独立性与粗粒化比例验证：通过比较网格尺寸与粗粒化颗粒直径比n=3、4、5以及粗粒化因子3、4、5，发现n=4和因子4能在确保数值精度的同时将计算时间从7天缩短至3天，故选定该参数用于后续分析。3.2 流动模式演化：以颗粒类型颜色编码（蓝为印尼煤、红为龙王沟煤），观察不同混合比下卸料过程。在h=3:2时印尼煤约5.5 s全部排出，h=4:1时持续至11 s。早期龙王沟煤沿轴向向下渗透形成明显界面；中期呈现V形侵入结构；后期出口处颗粒主要为龙王沟煤，印尼煤残留在壁面附近，表明物料优先沿中心轴下降，符合典型漏斗流特征。3.3 料仓内速度分布：利用垂直速度（V
Y）着色云图显示，仅出口附近颗粒具有显著下落速度，中上层颗粒基本静止；稳定后轴向区域颗粒活跃，壁面附近缓慢，证实漏斗流主导卸料过程。3.4 截面颗粒速度分布：在距出口高度H=0.1 m处统计全过程中的平均纵向速度，所有工况下速度分布呈V形，轴向速度（如h=4:1时0.210 m/s）远高于壁面（0.087 m/s），壁面颗粒下落速度较中心低约54.5%，表明壁面颗粒有效排料能力显著受抑。混合比对整体速度曲线影响微弱，仅轴向速度略有增加；粒径分布影响显著：均匀分布平均速度最高，正态分布次之，线性分布最低，且正态分布在轴向速度接近均匀分布、壁面速度接近线性分布，呈现组合特征。不同高度截面（H=0.1、0.2、0.3 m）分析显示，随高度增加，轴向与壁面速度差异缩小（轴向仅高出30~40%），表明漏斗流行为局部集中于出口附近，上部颗粒趋向同步下降，呈现中间流特征。3.5 质量流率：质量流率初始阶段进入准稳态，后期因颗粒减少而下降，波动范围有限（变系数CV为5.08~7.58%）。混合比3:2时CV最低（5.08%），流动最稳定。不同工况下平均质量流率变化不大（增幅约3.7%），表明在给定料仓结构条件下，系统排放能力主要受卸料条件控制，粒径分布和混合比影响较小。漏斗流对整体质量传输能力的扰动有限。
在讨论部分，研究人员指出卸料末期整体排料率急剧下降并非由于出口颗粒供应不足，而是因为轴向区域颗粒床层高度降低与壁面颗粒滞留共同削弱了向上动量传递及碰撞激发。结论强调：卸料过程出口附近呈现明显漏斗流，随离出口距离增加速度差异减弱；粒径分布是影响卸料动力学的最显著因素，混合比影响甚微；局部漏斗流与宏观质量流率无直接对应关系。基于球形颗粒、粗粒化表示、各向同性随机堆积及摩擦滚动阻力定律等假设，CGP-DEM为分析混煤卸料行为提供了计算高效且物理代表性强的手段，对电厂掺烧系统设计具有参考价值。
