張忠良，劉永啟，鄭斌，李瑞陽，郁鴻凌

（1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的流動特性

張忠良1，劉永啟2，鄭斌2，李瑞陽1，郁鴻凌1

（1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動對其換熱效率起決定性作用。為揭示應(yīng)用于蘭炭行業(yè)的水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的流動特性，本文基于離散單元法（DEM）建立了水冷螺旋輸送機(jī)的計(jì)算模型，從顆粒群力鏈的角度分析了螺旋轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)、螺距以及螺旋軸直徑對其內(nèi)部顆粒流動的影響。結(jié)果表明：殼體附近顆粒的運(yùn)動速度因邊界抑制作用有所降低。填充系數(shù)小于80%時，顆粒的運(yùn)動以滑移為主；填充系數(shù)大于80%時，顆粒的運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)為主。滿填充狀態(tài)下，螺距與螺旋直徑之比小于2/3時，顆粒的運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)為主；螺距與螺旋直徑之比大于2/3時，顆粒的軸向運(yùn)動逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。質(zhì)量流率隨螺旋轉(zhuǎn)速和螺距的增加而增加，隨螺旋軸直徑的增加而降低。質(zhì)量流率對高于80%填充系數(shù)的敏感程度高于低填充系數(shù)的敏感程度。

水冷螺旋輸送機(jī)；離散單元法；顆粒；流動特性；力鏈

水冷螺旋輸送機(jī)作為一種高效換熱設(shè)備已廣泛應(yīng)用于化工、礦物加工等行業(yè)。水冷螺旋輸送機(jī)配有水冷螺旋軸和水冷殼體，在輸送高溫固體顆粒的同時，對其逆向降溫并進(jìn)行余熱回收。

螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動極其復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)和原有理論很難描述顆粒的運(yùn)動[1]。近年來，逐漸成熟的離散單元法（discrete element method，DEM）[2]能夠很好地跟蹤并分析顆粒在多尺度結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動，在散料行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用[3-4]。SHIMIZU和CUNDALL[5]首次使用DEM研究分析了螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率。CLEARY[6-7]研究了傾角為45°的螺旋輸送機(jī)的下料性能和顆粒流動性能，并分析了顆粒形狀對其性能的影響。OWEN等[8-9]比較了不同傾角、顆粒形狀和摩擦系數(shù)對螺旋輸送機(jī)性能的影響。FERNANDEZ等[10]研究了6種不同結(jié)構(gòu)螺旋體對下料等性能的影響。張西良等[11]研究了顆粒尺寸對螺旋加料機(jī)加料性能的影響，并分析了介觀尺度[12-13]下的力鏈結(jié)構(gòu)變化。HOU等[14]研究了黏性顆粒在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的流動特性。PEZO等[15]研究了增加擋板的葉片對顆?；旌咸匦缘挠绊憽OZBROJ等[16]采用PIV技術(shù)和DEM標(biāo)定了顆粒在垂直螺旋輸送機(jī)中的摩擦系數(shù)。KEPPLER等[17]研究了轉(zhuǎn)速對螺旋輸送機(jī)混合特性的影響。KRETZ等[18]驗(yàn)證了DEM用于研究不同結(jié)構(gòu)螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒流動和混合特性的適用性。

以上工作都是針對常規(guī)螺旋輸送機(jī)展開的，水冷螺旋輸送機(jī)除結(jié)構(gòu)與常規(guī)螺旋輸送機(jī)不同外，為提高其余熱回收效率，工程中常維持較低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不同，內(nèi)部顆粒的流動有較大差異[19]。本文基于DEM建立了應(yīng)用于蘭炭行業(yè)的水冷螺旋輸送機(jī)計(jì)算模型，研究螺旋轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)、螺距和螺旋軸直徑對其內(nèi)部顆粒流動特性的影響。揭示其內(nèi)部顆粒的流動特性，對于水冷螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和提高其余熱回收效率具有重要的指導(dǎo)意義。

1 模型描述

本文應(yīng)用于水冷螺旋輸送機(jī)的DEM理論模型與CLEARY[6]應(yīng)用于輸送糧食作物的常規(guī)螺旋輸送機(jī)的理論模型相同。圖1為水冷螺旋輸送機(jī)示意圖。本文主要研究水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的流動特性，計(jì)算模型忽略其水冷部件只保留顆粒流通邊界。螺旋直徑D1為300mm，葉片厚度T為10mm，螺旋葉片與內(nèi)管壁之間間隙C為4.5mm，計(jì)算模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真過程中采用周期邊界模型。物料為球形顆粒，其堆積密度ρ為850kg/m3，粒徑d為10mm，顆粒與顆粒的摩擦系數(shù)f1=0.6，顆粒與邊界的摩擦系數(shù)f2=0.4，恢復(fù)系數(shù)為0.5，其他參數(shù)如表1所示，其中填充系數(shù)ε的計(jì)算公式如式(1)～式(3)。

式中，VA為單節(jié)螺距的螺旋空間總體積；VB為單節(jié)螺距范圍內(nèi)的顆粒堆積體積；M為單節(jié)螺距范圍內(nèi)的顆?？傎|(zhì)量。

2 驗(yàn)證

DEM應(yīng)用于輸送糧食等常規(guī)螺旋輸送機(jī)上的適用性和正確性O(shè)WEN等[5,8,18]已予以肯定。為驗(yàn)證離散單元法在水冷螺旋輸送機(jī)上的適用性，本文將在水冷螺旋輸送機(jī)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)測得的質(zhì)量流率與利用DEM計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。用于驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)裝置和計(jì)算模型如圖3所示。

圖1 水冷螺旋輸送機(jī)示意圖

圖2 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)

表1 結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置和計(jì)算模型圖

圖4 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對比

圖4為不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對比。由圖4可以看出，DEM計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值十分接近，最大誤差為3.48%，在可接受范圍內(nèi)，這說明DEM計(jì)算中與實(shí)驗(yàn)中水冷螺旋輸送機(jī)中顆粒的運(yùn)動速度和質(zhì)量流率是相近的，因此，DEM應(yīng)用于研究水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的流動特性是合適的。

3 結(jié)果與分析

水冷螺旋輸送機(jī)單螺距之間的顆粒群可分為兩個區(qū)域：與螺旋葉片接觸的顆粒群（剪切層）和中間顆粒群。顆粒群在輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)動形為包括軸向運(yùn)動和周向運(yùn)動兩種運(yùn)動形式，即做旋轉(zhuǎn)式前進(jìn)運(yùn)動。外載荷的傳播以力鏈的形式由與螺旋葉片接觸的顆粒群傳至中間顆粒群[11]。顆粒群中單顆粒的運(yùn)動較為復(fù)雜，包括沿輸送方向的軸向運(yùn)動、繞螺旋軸軸線旋轉(zhuǎn)的周向運(yùn)動、遠(yuǎn)離或靠近軸線的徑向運(yùn)動以及顆粒的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動行為以軸向運(yùn)動和周向運(yùn)動為主?；陬w粒群的散體特性以及單顆粒運(yùn)動的復(fù)雜特性，本文所述顆粒的運(yùn)動速度皆為均值。平均速度即顆粒的平均絕對速度。質(zhì)量流率即單位時間內(nèi)通過垂直軸線切面的顆粒質(zhì)量之和，是表征水冷螺旋輸送機(jī)輸送效率的重要指標(biāo)。

3.1 不同圓周直徑處顆粒的速度分布

圖5為不同圓周直徑處顆粒的速度分布。由圖5可以看出，螺旋軸附近顆粒的運(yùn)動速度最低，顆粒的運(yùn)動速度隨圓周直徑的增加而增加，圓周直徑由128mm增至249mm時，平均速度升高30.03%，平均軸向速度升高29.92%，平均周向速度升高35.97%?？拷鼩んw處顆粒的運(yùn)動速度略有降低，平均速度降低4%，平均軸向速度降低4.17%，平均周向速度降低5.26%。

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)法理論[20]，螺距一定時，顆粒的軸向運(yùn)動隨所處位置的圓周直徑的增加而加強(qiáng)。顆粒所處位置的圓周直徑增加，顆粒的周向運(yùn)動加強(qiáng)。因受殼體的邊界抑制作用，殼體附近顆粒的軸向運(yùn)動和周向運(yùn)動有所減弱。

圖5 不同圓周直徑處顆粒的速度分布

3.2 螺旋轉(zhuǎn)速對顆粒流動的影響

圖6為顆粒速度和質(zhì)量流率隨螺旋轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖6可以看出，顆粒的運(yùn)動速度隨螺旋轉(zhuǎn)速的增加呈線性增加，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速由3r/min增至20r/min時，平均速度增加了5.50倍，平均軸向速度增加了5.43倍，平均周向速度增加了5.90倍。水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨螺旋轉(zhuǎn)速的增加呈線性增加，20r/min處的質(zhì)量流率為3r/min處的6.57倍。

圖6 顆粒速度和質(zhì)量流率隨螺旋轉(zhuǎn)速的變化

水冷螺旋輸送機(jī)滿填充運(yùn)行時，其內(nèi)部顆粒群的力鏈結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，即顆粒之間的相對位置穩(wěn)定性較好，隨螺旋體的旋轉(zhuǎn)而做旋轉(zhuǎn)式前進(jìn)運(yùn)動。螺旋轉(zhuǎn)速增加，顆粒群的運(yùn)動隨之加強(qiáng)，顆粒的運(yùn)動速度隨螺旋轉(zhuǎn)速的增加而呈線性增加。由于螺距小于螺旋直徑，使得顆粒的平均周向速度大于顆粒的平均軸向速度。填充系數(shù)相同時，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率主要取決于其內(nèi)部顆粒的軸向速度，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨顆粒軸向速度的增加而增加。

3.3 填充系數(shù)對顆粒流動的影響

圖7 顆粒速度和質(zhì)量流率隨填充系數(shù)的變化

圖7為顆粒速度和質(zhì)量流率隨填充系數(shù)的變化曲線。由圖7可以看出，填充系數(shù)由60%增加至80%時，顆粒的平均速度隨填充系數(shù)的增加而增加，增加了12.50%，隨填充系數(shù)的繼續(xù)增加，平均速度基本不變。填充系數(shù)由60%增加至80%時，平均軸向速度隨填充系數(shù)的增加而降低，降低了17.90%，隨著填充系數(shù)的繼續(xù)增加，平均軸向速度基本不變。平均周向速度隨填充系數(shù)的增加而增加，當(dāng)填充系數(shù)由60%增加至80%時，平均周向速度呈線性增加，增加了1.27倍，隨著填充系數(shù)的繼續(xù)增加，平均周向速度的增長速率有所降低，當(dāng)填充系數(shù)由80%增至100%時，平均周向速度增加了36.00%。由圖7還可以看出，平均軸向速度和平均周向速度在填充系數(shù)為80%附近相等。在填充系數(shù)為60%～80%范圍內(nèi)，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨填充系數(shù)的增加有小幅度增加，增加了5.41%，當(dāng)填充系數(shù)大于80%時，質(zhì)量流率隨填充系數(shù)的增加呈線性增加，至填充系數(shù)為100%時，質(zhì)量流率增加了28.50%。填充系數(shù)小于80%時，顆粒群的自由運(yùn)動空間較大，重力和顆粒間接觸力較小，相應(yīng)的力鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，只有部分與螺旋葉片接觸的顆粒群隨螺旋體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，不足以維持整個顆粒群的周向運(yùn)動。隨填充系數(shù)的增加，顆粒間的接觸力增加，顆粒群力鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加強(qiáng)，顆粒群的周向運(yùn)動加強(qiáng)。顆粒的平均周向速度隨填充系數(shù)的增加而增加，顆粒的平均軸向速度隨填充系數(shù)的增加而降低，顆粒的平均軸向速度大于顆粒的平均周向速度，顆粒于水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)動以滑移為主，顆粒的周向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨填充率的增加而增加。當(dāng)填充系數(shù)大于80%時，顆粒的平均周向速度持續(xù)增加，且大于顆粒的平均軸向速度，顆粒于水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)為主，顆粒的軸向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨填充系數(shù)的增加敏感度降低，基本維持常值。填充系數(shù)在60%～80%范圍內(nèi)，顆粒的軸向速度隨填充系數(shù)的增加而降低，填充系數(shù)的增加與軸向速度的降低二者相互牽制，使得水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率對填充系數(shù)的變化不敏感。在填充系數(shù)大于80%范圍內(nèi)，顆粒的軸向速度基本不變，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨填充系數(shù)的增加呈線性增加。

3.4 螺距對顆粒流動的影響

圖8為顆粒速度和質(zhì)量流率隨螺距的變化曲線。由圖8可以看出，在螺距為100～200mm范圍內(nèi)，顆粒的平均速度和平均周向速度隨螺距的增加而降低，平均速度降低50.54%，平均周向速度降低54.05%。在螺距為200～300mm范圍內(nèi)，顆粒平均速度隨螺距的增加呈小幅度增加，至螺距為300mm處時，增加了17.39%，平均周向速度隨螺距的增加保持穩(wěn)定，平均軸向速度隨著螺距的增加而增加，螺距由100mm增至300mm時，平均軸向速度增加了10.67倍。由圖8還可以看出，在螺距為300mm處，即螺距與螺旋直徑相等的位置，顆粒的平均軸向速度和顆粒的平均周向速度基本相等。水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨螺距的增加呈線性增加，螺距由100mm增至300mm時，質(zhì)量流率增加了5.82倍。

圖8 顆粒速度和質(zhì)量流率隨螺距的變化

轉(zhuǎn)速和填充系數(shù)相同時，單個螺距范圍內(nèi)顆粒群中顆粒數(shù)目隨螺距的減小而減少，與螺旋葉片接觸的顆粒群占整個顆粒群的比例增加。隨著螺距的增加，單個螺距之間的顆粒數(shù)目增加，中間顆粒群占整個顆粒群的比例增加，由剪切層傳向中間顆粒群的載荷的均勻性和穩(wěn)定性變差，整個顆粒群的力鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，顆粒群的周向運(yùn)動受到限制。顆粒平均速度和平均周向速度受螺距影響的敏感程度在螺距與螺旋直徑之比為2/3處開始降低。螺距增加，螺旋葉片的螺旋升角增加，螺旋體每旋轉(zhuǎn)一周，顆粒前進(jìn)的距離增加，顆粒的平均軸向速度增加。在螺距與螺旋直徑之比為1/3～2/3范圍內(nèi)，顆粒的周向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨螺距的增加而降低，顆粒的運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)為主。在螺距與螺旋直徑之比為2/3～1范圍內(nèi)，顆粒的軸向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨螺距的增加而增加，顆粒的軸向運(yùn)動逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。轉(zhuǎn)速和填充系數(shù)相同的條件下水冷螺旋輸送機(jī)質(zhì)量流率的大小取決于輸送機(jī)內(nèi)顆粒的軸向運(yùn)動速度的大小，軸向運(yùn)動速度越大質(zhì)量流率越大，顆粒的軸向速度隨螺距的增加呈線性增加，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨螺距的增加呈線性增加趨勢。

3.5 螺旋軸直徑對顆粒流動的影響

圖9為顆粒速度和質(zhì)量流率隨螺旋軸直徑的變化曲線。由圖9可以看出，隨著水冷螺旋輸送機(jī)螺旋軸直徑的增加，顆粒的平均速度呈線性增加，當(dāng)螺旋軸直徑由77mm增至139mm時，平均速度增加了19.05%；顆粒的平均軸向速度隨著螺旋軸直徑的增加而減小，降低了8.33%；顆粒的平均周向速度隨螺旋軸直徑的增加而增加，增加了30.30%。水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨螺旋軸直徑的增加呈線性降低，當(dāng)螺旋軸直徑由77mm增至139mm時，質(zhì)量流率降低了18.51%。

圖9 顆粒速度和質(zhì)量流率隨螺旋軸直徑的變化

隨著水冷螺旋輸送機(jī)螺旋軸直徑的增加，水冷螺旋輸送機(jī)的有效輸送截面積減小，顆粒與邊界的接觸數(shù)目的相對比例增加，由于邊界抑制作用，顆粒的軸向運(yùn)動受到抑制，顆粒群的力鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)加之顆粒群向水冷螺旋輸送機(jī)軸線的外緣移動，顆粒群中顆粒的周向運(yùn)動不斷加強(qiáng)，在顆粒運(yùn)動中占據(jù)主導(dǎo)地位，故而，水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)部顆粒運(yùn)動的合速度隨螺旋軸直徑的增加呈線性增加。轉(zhuǎn)速和填充系數(shù)相同時，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率主要取決于內(nèi)部顆粒的軸向速度大小和有效橫截面積的大小，橫截面積相同時，質(zhì)量流率隨軸向速度的增加而增加，軸向速度相同時，質(zhì)量流率隨橫截面積的增加而增加。水冷螺旋輸送機(jī)內(nèi)顆粒的軸向速度和水冷螺旋輸送機(jī)的有效橫截面積隨螺旋軸直徑的增加呈線性降低趨勢，水冷螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流率隨螺旋軸直徑的增加而降低。

4 結(jié)論

（1）顆粒運(yùn)動速度隨螺旋轉(zhuǎn)速的增加呈線性增加；顆粒的周向速度隨螺旋軸直徑的增加而增加，軸向速度隨螺旋軸直徑的增加而降低。

（2）填充系數(shù)小于80%時，顆粒的周向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，顆粒的運(yùn)動以滑移為主；填充系數(shù)大于80%時，顆粒的軸向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨填充系數(shù)的增加敏感度降低，顆粒的運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)為主。

（3）滿填充狀態(tài)下，螺距與螺旋直徑之比小于2/3時，顆粒的周向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨螺距的增加而降低，顆粒的運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)為主；螺距與螺旋直徑之比大于2/3時，顆粒的軸向運(yùn)動對顆粒運(yùn)動速度的變化起主導(dǎo)作用，隨螺距的增加而增加，顆粒的軸向運(yùn)動逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

（4）質(zhì)量流率隨螺旋轉(zhuǎn)速和螺距的增加呈線性增加，隨螺旋軸直徑的增加而降低。

（5）填充系數(shù)小于80%時，填充系數(shù)的增加與軸向速度的降低二者相互牽制，質(zhì)量流率對填充系數(shù)的變化不敏感；填充系數(shù)大于80%時，質(zhì)量流率隨填充系數(shù)的增加呈線性增加。

符號說明

C—— 螺旋葉片與內(nèi)管壁之間間隙，mm

D1—— 螺旋直徑，mm

D2—— 螺旋軸直徑，mm

d—— 顆粒直徑，mm

f1—— 顆粒與顆粒之間的摩擦系數(shù)

f2—— 顆粒與邊界的摩擦系數(shù)

M—— 單節(jié)螺距范圍內(nèi)的顆?？傎|(zhì)量，kg

n—— 螺旋轉(zhuǎn)速，r/min

P—— 螺距，mm

T—— 葉片厚度，mm

VA—— 單節(jié)螺距的螺旋空間總體積，m3

VB—— 單節(jié)螺距范圍內(nèi)的顆粒堆積體積，m3

ε—— 填充系數(shù)，%

ρ—— 顆粒堆積密度，kg/m3

[1] ROBERTS A W，WILLIS A H. Performance of grain augers[J].ARCHIVE：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，1962，176（8）：165-194.

[2] CUNDALL P A，STRACK O D L. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Géotechnique，1979，29（1）：47-65.

[3] ZHU H P，ZHOU Z Y，YANG R Y，et al. Discrete particle simulation of particulate systems：a review of major applications and findings[J].Chemical Engineering Science，2008，63（23）：5728-5770.

[4] 黃迪，曾劍橋，劉輝. 復(fù)合移動床電石反應(yīng)器中顆粒運(yùn)動的離散單元法模擬[J]. 化工進(jìn)展，2014，33（10）：2576-2582.HUANG D，ZENG J Q，LIU H. Discrete element method simulation of particle flow in a combined-moving bed reactor for carbide production[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2014，33（10）：2576-2582.

[5] SHIMIZU Y，CUNDALL P A. Three-dimensional DEM simulations of bulk handling by screw conveyors[J]. Journal of Engineering Mechanics—Asce，2001，127（9）：864-872.

[6] CLEARY P W. Large scale industrial DEM modelling[J].Engineering Computations，2004，21（2/3/4）：169-204.

[7] CLEARY P W. DEM modelling of particulate flow in a screw feeder[J]. Progress in Computational Fluid Dynamics，2007，7（2/3/4）：128-138.

[8] OWEN P J，CLEARY P W. Prediction of screw conveyor performance using the discrete element method（DEM）[J]. Powder Technology，2009，193（3）：274-288.

[9] OWEN P J，CLEARY P W. Screw conveyor performance：comparison of discrete element modelling with laboratory experiments[J]. Progress in Computational Fluid Dynamics，2010，10（5/6）：327-333.

[10] FERNANDEZ J W，CLEARY P W，MCBRIDE W. Effect of screw design on hopper drawdown of spherical particles in a horizontal screw feeder[J]. Chemical Engineering Science，2011，66（22）：5585-5601.

[11] 張西良，馬奎，王輝，等. 顆粒尺寸對螺旋加料機(jī)定量加料性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（5）：19-27.ZHANG X L，MA K，WANG H，et al. Effect of particle size on precision dosing of screw feeder[J]. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，30（5）：19-27.

[12] 李靜海，胡英，袁權(quán). 探索介尺度科學(xué):從新角度審視老問題[J]. 中國科學(xué)（化學(xué)），2014，44（3）：277-281.LI J H，HU Y，YUAN Q. Mesoscience：exploring old problems from a new angle[J]. Scientia Sinica（Chimica），2014，44（3）：277-281.

[13] 劉中淼，孫其誠，宋世雄，等. 準(zhǔn)靜態(tài)顆粒流流動規(guī)律的熱力學(xué)分析[J]. 物理學(xué)報，2014，63（3）：294-304.LIU Z M，SUN Q C，SONG S X，et al. Non-equilibrium thermodynamic analysis of quasi-static granular flows[J]. Acta Physica Sinica，2014，63（3）：294-304.

[14] HOU Q F，DONG K J，YU A B. DEM study of the flow of cohesive particles in a screw feeder[J]. Powder Technology，2014，256：529-539.

[15] PEZO L，JOVANOVIC A，PEZO M，et al. Modified screw conveyor-mixers - discrete element modeling approach[J]. Advanced Powder Technology，2015，26（5）：1391-1399.

[16] ROZBROJ J，ZEGZULKA J，NECAS J. Use of DEM in the determination of friction parameters on a physical comparative model of a vertical screw conveyor[J]. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly，2015，29（1）：25-34.

[17] KEPPLER I，VARGA A，SZABO I，et al. Particle motion around open mixing screws：optimal screw angular velocity[J]. Engineering Computations，2016，33（3）：896-906.

[18] KRETZ D，CALLAU-MONJE S，HITSCHLER M，et al. Discrete element method（DEM）simulation and validation of a screw feeder system[J]. Powder Technology，2016，287：131-138.

[19] ROBERTS A W. The influence of granular vortex motion on the volumetric performance of enclosed screw conveyors[J]. Powder Technology，1999，104（1）：56-67.

[20] 向冬枝，徐余偉. 螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和確定[J]. 水泥技術(shù)，2010（1）：29-33.XIANG D Z，XU Y W. Design parameter selection of spiral conveyer[J]. Cement Technology，2010（1）：29-33.

Flow characteristics of particles in water-cooled screw conveyor

ZHANG Zhongliang1，LIU Yongqi2，ZHENG Bin2，LI Ruiyang1，YU Hongling1
（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong，China）

Particle motion in a water-cooled screw conveyor is crucial to its heat transfer efficiency. In order to reveal the flow characteristics of particles in water-cooled screw conveyor used in semi-coke industry，the calculation model of water-cooled screw conveyor was established based on discrete element method（DEM）. The influence of screw speed，filling rate，pitch and screw shaft diameter on the flow characteristics of particles were studied from the perspective of particle force chain. The results showed that the velocities of the particles near the casing are reduced by the boundary inhibition.The motion of the particles is mainly slip when the filling rate is less than 80% and mainly rotation when the filling rate is more than 80%. Under full-fill conditions，the motion of the particles is dominated by rotation when the ratio of the pitch to the helix diameter is less than 2/3. And the axial motion of the particles gradually toke the dominant position when the ratio of the pitch to the helix diameter is more than 2/3. The mass flow rate increased with the increase of screw speed and pitch，and decreased with the increase of screw shaft diameter. The sensitivity of the mass flow rate to the fill rate above 80% is higher than the sensitivity of the low fill rate.

water-cooled screw conveyor；discrete element method（DEM）；particle；flow characteristics；force chain

TH224

：A

：1000-6613（2017）09-3217-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0181

2017-02-06；修改稿日期：2017-03-23。

山東省科技發(fā)展計(jì)劃（2013GGX10404）及山東省自然科學(xué)基金（ZR2013EEQ005）項(xiàng)目。

張忠良（1989—），男，博士研究生，主要從事固體物料余熱回收研究。E-mail：15264311799@163.com。聯(lián)系人：劉永啟，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事固體物料余熱回收研究。E-mail：liuyq65@163.com。