【EDEM竞赛】特等奖作品分享：基于EDEM-CFD耦合的烘干滚筒换热仿真

Altair EDEM™ 离散元仿真

技术竞赛已落下帷幕。

如果您错过本次竞赛也无需灰心，

ATC 论文及视频征集进行中，录取就有稿酬！

上周我们已经公布了本次竞赛的获奖名单，

也为大家分享了

获奖作品上篇：平地机作业过程仿真分析，

本周继续为大家分享特等奖作品的下篇~

作者 : 刘晓东、侯志强、廖昊

《基于EDEM-CFD耦合的烘干滚筒换热仿真》针对沥青混凝土中冷骨料烘干、加热到负荷生产要求的热骨料过程，采用CFD-EDEM耦合方法进行了仿真分析，旨在对滚筒进行了整个优化设计改进，降低产品能耗水平并提升产品质量。

《平地机作业过程仿真分析》、《基于EDEM-CFD耦合的烘干滚筒换热仿真》体现了EDEM可应用于工程机械的多个设计场景中。徐工提交的作品满足参赛要求，且提交作品的材料非常完整，所选取的结构模型复杂，并综合了多个学科开展了复杂的耦合分析。针对平地作业机械、沥青混凝土拌和站烘干滚筒工程机械设备，引入了离散元、多体动力学、流体动力学、一维系统仿真，基于仿真和实际工程机械研发设计相结合，很好地的解决了多场耦合的问题。因此，徐工所提交作品体现了从工程应用角度将 Altair 离散元 EDEM 和 MotionSolve 等工具结合解决实际工程应用问题的能力，且具有很高的工程应用价值。

伴随着国家高速公路的发展，对于热拌沥青混合料的需求逐年递增，但其生产设备存在能源消耗大、污染排放多等问题 。沥青拌合站对能源和资源的高消耗性以及随之而来的排放污染问题严重威胁了我国经济和社会的可持续发展 。

沥青拌合站最主要的耗能和排放发生在骨料的干燥与升温过程中，因此拌合站的烘干滚筒是节能减排的重点。

沥青拌和站及烘干滚筒

烘干滚筒是沥青拌和站的核心部件，主要作用是利用自身的叶片结构和筒体转动，使骨料在滚筒内部形成料帘，随着筒体的转动，骨料向出口方向运动。燃烧器火焰产生的热烟气与骨料在运动过程中进行对流换热去除水分，烘干加热至符合生产要求的热骨料。这个过程中消耗了巨大能源，约占整个拌合站能源消耗的80%以上，一台大型拌合站每年的燃油费预计超过800万元。

对烘干滚筒进行换热仿真分析，优化滚筒参数，从而提升换热效率，对降低拌和站整体能耗水平，提升产品质量，节能减排具有重要意义。

拌和站烘干滚筒工作原理图

烘干滚筒主要分为三个区域：导料区、烘干区及加热区，不同区域有不同的叶片结构。其中烘干区叶片的主要作用是将骨料提起后撒落形成料帘，优质的烘干区叶片结构能增大撒布均匀性，增大热烟气与骨料的接触面积，减小烘干滚筒的能量消耗。

烘干滚筒作为一种散体物料处理设备，其工作过程适用离散单元法进行研究，滚筒内部骨料可被看作不同粒径的球形颗粒组成的散体介质。EDEM是应用范围最广的一款离散元仿真分析软件。

烘干区叶片均匀周向分布在滚筒内部，提料叶片一边随筒体旋转，一边从烘干筒底部提起石料并逐渐堆满整个提料叶片。随着烘干滚筒的旋转，提料叶片逐渐升高到一定高度后，堆积在提料叶片上的石料就开始从叶片尾端处抛撒下来，多个叶片组合作用形成料帘，然后重新落入烘干筒底部。

确定仿真方案后，对颗粒参数进行标定仿真、颗粒级配进行选择，并利用仿真模型进行叶片结构初选，确定叶片基本结构。

参数标定

颗粒级配

叶片初选

烘干滚筒体型较大，对骨料烘干影响最大的区域为烘干区，故利用EDEM进行整个滚筒的骨料抛撒仿真，利用EDEM-CFD耦合进行烘干区骨料-烟气换热仿真，二者结合进行滚筒参数优化。

滚筒骨料抛撒仿真模型

根据确定的叶片结构参数取值范围，综合考虑仿真计算量，创建响应曲面设计，采用4个连续因子共31组仿真，分别对高产量、低产量下滚筒抛撒状态进行分析，获得最优的几组叶片结构参数组合。

根据最优的几组叶片结构参数组合，设计EDEM-CFD耦合换热仿真模型，分别进行骨料-烟气耦合换热仿真，取换热效率最高的叶片为最优叶片结构。

对最优的叶片结构参数组合进行滚筒整体仿真验证

• 利用该仿真分析设计的烘干滚筒已成功应用于公司系列沥青拌和站；

• 目前配套应用拌和站实现累计销售72台，销售额2.88亿元，预计每台每年为客户节约燃油32.7-56.8万元； 

• 为徐工集团后续的类似烘干滚筒设计优化提供解决思路。

DEM Solutions 公司总部位于英国爱丁堡，在日本、韩国和美国均设有办事处。旗下产品 EDEM 于2006年首次进入市场，是全球第一款基于离散元方法的通用仿真分析软件，市场占有率居于首位。很多世界各地的一流公司使用 EDEM 降低运营成本，缩短产品开发周期，推动产品创新。此外，EDEM 还被全球 300 多个学术机构用于学术研究。

2019年11月7日，Altair 宣布收购英国 DEM Solutions 公司。Altair EDEM 2020 于 2019 年底发布，在建模便捷性、求解速度、耦合扩展等方面大大提升，实现更加高效地散料仿真。新版本提供的全新耦合解决方案搭载多体动力学软件 Altair MotionSolve™ 和开源软件 OpenFOAM。