在粉體顆粒混合過程中實(shí)現(xiàn)可靠性是滿足各行各業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求的關(guān)鍵，但物理試錯(cuò)優(yōu)化既耗時(shí)又昂貴。

通過EDEM離散元仿真能夠?qū)Ψ垠w顆粒混合設(shè)備和工藝操作進(jìn)行高效定量的數(shù)值模擬研究，深入了解混合系統(tǒng)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為，包括內(nèi)部料流狀態(tài)和混合均勻性的時(shí)空演變。

混料過程料流分析

圖1在EDEM后處理中使用顆粒瞬時(shí)速度和平均動(dòng)量密度場來分析混料過程的料流情況。后者是使用EDEM的連續(xù)分析功能從離散粒子數(shù)據(jù)計(jì)算得出，可用于瞬態(tài)或循環(huán)混合系統(tǒng)的料流分析。

箭頭所示為混料過程出現(xiàn)的物料停滯區(qū)域。

圖1：槳葉混合機(jī)中顆粒瞬時(shí)速度和平均動(dòng)量密度場

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）

如圖2所示，可以通過使用EDEM bins進(jìn)行虛擬采樣來分析混合物組分濃度的時(shí)空演變。濃度根據(jù)bin內(nèi)不同類型顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算得出。

此外，還可以根據(jù)其他顆粒屬性以及與混料相關(guān)的顆粒數(shù)量、顆粒速度和顆粒停留時(shí)間等來劃分bin組。

圖 2：EDEM模擬槳葉混合機(jī)每個(gè)Bin中藍(lán)色顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖3所示，在EDEM中生成bin的矩形網(wǎng)格組，從導(dǎo)出的bin顆粒質(zhì)量中計(jì)算濃度，進(jìn)而計(jì)算整體混合物組分濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）的時(shí)空演變。

其中RSD值0對應(yīng)完全混合狀態(tài)，值1對應(yīng)完全偏析狀態(tài)。

圖 3：槳葉混合機(jī)中EDEM bin網(wǎng)格組以及bin內(nèi)藍(lán)色顆粒濃度的RSD演

Lacey混合指數(shù)

使用公式1至4中定義的Lacey混合指數(shù)[1]可以從劃分bin顆粒數(shù)據(jù)中更準(zhǔn)確地計(jì)算二元混合物的均勻性，其中M是Lacey混合指數(shù)，k是bin的數(shù)量，N是每個(gè)bin的平均顆粒數(shù)，Ni是bin i中的顆粒數(shù)，ni是bin i中顆粒1的數(shù)量，P是系統(tǒng)中顆粒1的比例。

示例結(jié)果如圖4所示。Lacey混合指數(shù)值0對應(yīng)完全偏析狀態(tài)，值1對應(yīng)隨機(jī)混合狀態(tài)?？墒褂肊DEMpy腳本仿真自動(dòng)計(jì)算Lacey混合指數(shù)。

圖4：槳葉混合機(jī)中Lacey混合指數(shù)的時(shí)間演變

偏析指數(shù)

如果兩種混合物組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等且粒徑分布相似，則還可以使用公式5中定義的基于顆粒接觸的偏析指數(shù)[2]來量化混合物均勻性，其中C12是顆粒1和顆粒2之間的接觸數(shù)。

偏析指數(shù)SI值0對應(yīng)完全混合狀態(tài)，SI值2對應(yīng)完全偏析狀態(tài)。

與Lacey混合指數(shù)不同，偏析指數(shù)不是基于抽樣，因此對樣本總體規(guī)模的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)不敏感?？梢酝ㄟ^導(dǎo)出的粒子接觸數(shù)據(jù)在EDEM外部執(zhí)行計(jì)算，也可以使用EDEMpy腳本進(jìn)行計(jì)算。

圖5：槳葉混合機(jī)中偏析指數(shù)的時(shí)間演變

對于三元和高階混合物，可以通過使用多組分混合指數(shù)[3]來量化混合物的均勻性，或者通過將組分聚集在一起以將混合物還原為二元混合物來量化。

EDEM還可以與機(jī)器學(xué)習(xí)、CAD和自動(dòng)化工具結(jié)合使用，以更高效地優(yōu)化混合過程的設(shè)計(jì)和操作。

參考資料

[1] Gu, Z. and Chen, J. J. J. (2015) ‘A probabilistic analysis of some selected mixing indices’,Chemical Engineering Research and Design. Institution of Chemical Engineers, 93(April), pp. 293–303. doi: 10.1016/j.cherd.2014.04.014.

[2] Marigo, M.et al.(2012) ‘A numerical comparison of mixing efficiencies of solids in a cylindrical vessel subject to a range of motions’,Powder Technology. Elsevier B.V., 217, pp. 540–547. doi: 10.1016/j.powtec.2011.11.016.

[3] Cho, M., Dutta, P. and Shim, J. (2017) ‘A non-sampling mixing index for multicomponent mixtures’,Powder Technology. Elsevier B.V., 319, pp. 434–444. doi: 10.1016/j.powtec.2017.07.011.