煤粉壁面摩擦特性研究

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煤粉的流动特性对生产的安全稳定起着至关重要的作用。煤粉在料仓内的流动特性除与煤粉自身的性质有关以外,还与料仓壁面材料的性质有重要关系。因此,测量煤粉的运动壁摩擦力(摩擦系数),了解煤粉的壁摩擦特性,找到有利于实现煤粉稳定流动的壁面材料是许多煤仓设计者所期望的。   测量煤粉流动性的实验装置有多种。本文主要利用Jenike剪切流动测试仪,测量煤粉在不同的壁面材料上运动时的壁屈服轨迹,从而得出相关的参数如运动壁摩擦系数来评价煤粉在料仓内的流动。   本文以四种不同粒径范围的无烟煤为研究对象,研究煤粉在不锈钢板、碳钢板以及环氧板等三种壁面材料上运动时的运动壁摩擦力(摩擦系数)的变化规律,为料仓的设计提供依据。   运动壁摩擦力(摩擦系数)的影响因素较多,本文主要考察煤粉粒径以及壁面材料的性质对运动壁摩擦力(摩擦系数)的影响。壁面材料的性质是影响煤粉流动的一个重要因素。材料表面的粗糙度越大,煤粉的运动壁摩擦力(摩擦系数)越大;随着材料刚度的增大,煤粉的运动壁摩擦力(摩擦系数)也相应增大。煤粉的粒径也影响煤粉的运动壁摩擦力(摩擦系数),随着煤粉中细颗粒含量的增加,煤粉的运动壁摩擦力(摩擦系数)增加。   近年来,随着计算机技术的发展,数值模拟成为颗粒流研究的一种重要手段。本文运用离散单元法(DEM)对煤粉的壁摩擦过程进行了数值模拟,确定了适合模拟壁摩擦过程的DEM模型。尤其是结合实际煤粉壁摩擦过程,对阻尼系数的确定方法做了适当的修正。分析比较模拟和实验结果表明:数值模型能够有效模拟实验过程,仓壁材料粗糙度、刚度以及煤粉粒径对壁摩擦系数的影响规律与实验结果相同。   由于本文模拟的颗粒量较大,串行程序模拟时间较长,本文还尝试应用MPI消息传递模式对DEM数值模拟串行程序进行了并行化改造,使得在单机上无法进行的大规模计算在并行机上成为可能。比较串行程序和并行程序的运行情况发现:在颗粒量相同的情况下,并行程序具有明显的优势,计算速度提高了25倍。但当颗粒量增加为原来的10倍时,整个程序效率有所下降,这可能是由于进程间信息交换量太大,使得信息交换量与计算任务之间的比例增大而造成的,因此,并行程序还需进一步优化,提高计算任务的比重。
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