tutorial3_Vibrating Screen_振荡筛

0. 目的

通过这个case，将会学到：

1. 定义振荡运动
2. 定义颗粒直径的分布
3. 如何定义domain的区域
4. 如何设置延长模拟时间
5. 绘制全局与局部数据的Time plot 以及直方图

1. 模型介绍

振荡筛，也称为振动筛，是一种广泛应用于工业中的筛选设备，其工作原理基于振动运动，通过振动使物料在筛面上移动并根据颗粒大小进行分级。振荡筛通常由一个或多个振动电机驱动，这些电机产生垂直、水平或倾斜方向的振动，通过筛框传递到筛网，使筛网上的物料受到周期性的振动，从而在筛网上跳跃、滚动或滑动；较小的颗粒能够通过筛网孔隙落入下层，而较大的颗粒则留在筛网上继续移动，通过不同孔径的筛网，物料被分成不同的粒度级别，并分别从筛网的不同出口排出，实现物料的分级。为了优化筛选效果，可以通过调整振动频率、振幅和筛网倾角等参数来控制物料的分散性和跳跃高度。振荡筛的主要组成部分包括支撑整个筛网和其他组件的筛框、实际进行筛选的筛网、产生振动的关键部件振动电机、用于支撑筛框并允许其自由运动的弹簧系统、进料口和出料口以及用于调节振动电机参数的控制系统。这种设备广泛应用于矿业、化工、食品加工、制药、建筑和环保等领域，具有高效、适应性强、结构简单和可调性强等优点，能够有效地对多种物料进行分级，满足不同行业的需求。

在本次模拟中振幅（vibration amplitude）为20mm，振动频率（vibration frequency）为15Hz；采用的筛网的网孔为180mm

2. 模型设置

新建一个project，保存为t3.rocky。

2.1 Physics设置

点击Physics–> momentum，在Rolling resistance model下选择Type C:Linear spring rolling limit；将numerical softening factor 设置为0.1。（具体解释见休止角测试这个教程）

2.2 导入几何

点击Geometries --> import wall，选择screen.stl

将import unit 设置为 mm。

点击Geometries --> screen，右击show in new --> 3D view，显示如下图

2.3 创建一个进口的几何面

右击Geometries --> Create rectangular surface。

点击 Rectangular Surface <01>，进入到Data editors面板进行编辑
Center coordinates 设置为（3.5，2，0），width设置为2m。

2.4 定义运动 Motion frame

右击Motion frame --> create motion frame

点击创建好的Frame<01>，进入到Data editors页面进行编辑
name重命名为 vibration motion;
Relative orientation–> angle -35 dega
Relative orientation–> vector 为（1，0，1）

点击Motions,点击 add motion,
type 选为 Periodic trnsalation (vibration)
initial frequency 设置为15 Hz
initial amplitude 设置为0.02m
direction设置为（1，0，0）

将vibration motion 赋予到 screen上
点击 Geometries --> screen，将motion frame下拉，选择vibration motion.

2.5 材料设置，保持默认即可

2.6 设置材料间的相互作用 materials interactions

设置 default particles 与 default boundary, 保持默认即可

设置 default particles 与 default particles, 同样保持默认即可

2.7 定义颗粒 particles

右击particles --> create particle

点击新创建的Particle<01>，进入到data editors面板进行编辑,形状为球形 sphere，材料为default particles。

点击size, size type为 sieve size,然后点击添加按钮，进行如下设置：

该设置是将颗粒的直径分布描述出来，直径小于等于0.1m的颗粒占比25%，直径小于等于0.125m的占比为40%,那么直径在0.1-0.125m之间的颗粒数量占比为15%。
依次类推。

点击 movement,将 rolling resistance 设置为0.35。

2.8 设置进口

点击Inlets and outlets --> create particle inlet。

点击新创建好的 Particle inlet<01>,进入到data editors面板进行编辑。
Entry point选择particle inlet，mass flow rate 为2000 t/h。

点击 Time, 将stop设置为10s。

2.9 设置domain

默认的domain的大小如下图所示，一般是一个cover整个几何体的长方体。颗粒在到达长方体的面，会消失。在本模拟中，如果不调整，会使得颗粒提前消失，导致计算不完全。可适当的对domain进行放大。

点击Domain，进入到data editors 界面进行编辑
取消勾选 use boundary limits
将Min values 设置为（-4.8，-1.8，-2.3）
将Max values设置为（4.8，2.5，2.3）

修改后的domain如下图所示：

2.10 设置求解器

点击solver --> Time，将simulation duration设置为10s,将time interval设置为0.01s

点击solver --> General，在Excution下 选择是使用cpu or GPU求解。
设置好点击start即可进行运算。

结果动画如下：

2.11 延长计算时间

点击slover–> extend

Extend by 这里填写 15s。那么也就说，总共的模拟时间是25s,点击 OK

再回到solver 界面下，点击 resume, 继续开始计算。

3. 后处理 – 如何处理筛选效率

前面介绍过，筛网的孔径是180mm，那么直径大于180mm的称为oversize particles,小于180mm的称为undersized particles。

颗粒经过筛网后，会落入到underflow与overflow这两个区域

基于oversized的筛选效率为
$$E_O=\frac{Mas{s}_{Ooverflow}}{Mas{s}_{Ofeed}}$$
其中，$Mas{s}_{Ooverflow}$ 指的是在overflow这个区域大于180mm的颗粒的质量，$Mas{s}_{Ofeed}$ 指的是进入到整个区域的大于180mm的颗粒的质量

基于undersized的筛选效率为
$$E_O=\frac{Mas{s}_{Uunderflow}}{Mas{s}_{Ufeed}}$$
其中，$Mas{s}_{Uunderflow}$ 指的是在underflow这个区域小于180mm的颗粒的质量，$Mas{s}_{Ufeed}$ 指的是进入到整个区域的小于180mm的颗粒的质量

总的筛选效率为
$$E=E_U\ast E_O$$

3.1 创建Cube用于数据分析

根据前面分析，需要创建两个cube来进行数据分析。
点击 Particles --> processes --> cube

点击新创建好的cube，name重命名为Underflow
center设为（0，-0.7，0）
Magnitude设置为（6.8，0.35，4）
Orientation–>method 选择Angles，在rotation下，角度设置为（0，0，10）dega

点击 Particles --> processes --> cube;
点击新创建好的cube，name重命名为Overflow
center设为（-4.4,-0.9,0）
Magnitude设置为（1.5，1.4，4）
Orientation–>method 选择Angles，在rotation下，角度设置为（0，0，10）dega

3.2 定义属性

点击 Particles --> processes --> Property;

点击新创建好的Property，name重命名为Undersized in feed;
Property 选择 Particle size;
type选择Range; maximum value 设置为0.18

同样的，新建一个Property，name重命名为Oversized in feed;
Property 选择 Particle size;
type选择Range; minimum value 设置为0.18；maximum value 设置为0.5

右击User Processes --> Overflow --> processes --> Property;
注意：这里是点击Overflow

将名字重命名为Oversized in overflow,其他设置与Oversized in feed 相同，如下：

3.3 绘制数据线

点击Particles，在Data editors页面选择curves，点击 add new custom curve

Name改为Total mass in； output unit 改为 kg,在下方勾选Particles mass flow in

在Expression处输入
(cumsum(A)*(1000/3600))*OUTPUT_FREQUENCY

其中，cumsum是一个累加函数，这里的cumsum(A)指的就是将函数A代表的物理量按照时间进行累加，这里具体指的是，不同时间段内，进入了某个计算域多少重量的粒子。如将其选择为UserProcesses–>underflow，那么就是进入到underflow这一块区域的粒子重量有多少。

点击右侧windows下的New time plot

进入到UserProcesses–>underflow --> Curves,将Total mass in 拖入到右侧的Time plot<01>

结果如下：

接下来，依次把UserProcesses中Oversized in overflow, Undersized in feed, oversized in feed 中的Total mass in拖入到Plot中，结果如下：

在同一个time plot下，点击Table
选择 add formula

3.4 求解筛选效率

根据公式，
$$E_O=\frac{Mas{s}_{Ooverflow}}{Mas{s}_{Ofeed}}$$
在本次case中，就是C/D

$$E_U=\frac{Mas{s}_{Uunderflow}}{Mas{s}_{Ufeed}}$$
在本次case中，就是E/B

$$E=E_U\ast E_O$$ 就是E1*E2

可以得到 Eu = 0.686246; Eo =1; E=0.686246

这是最终的结果示意图:

3.5 其他 - Particles Time Selection

Particles Time Selection 是基于模拟时间对颗粒进行采样的设置

注，该步骤是对整个计算域进行颗粒的数据采样
点击Particles -->Processes --> Particle time selection

点击新创建好的Particle time selection<01>，将其重命名为PSD_Feed， Domain Range下拉选择All. (PSD, particle size distribution)

注，该步骤是对overflow这个局部的计算域进行颗粒的数据采样
点击User Processes --> processes --> Particle Time selection

点击新创建好的Particle time selection<01>，将其重命名为PSD_Overflow， Domain Range下拉选择All.

3.5 其他 - 直方图

点击Histogram，选择NewHisgram

选择PSD_Feed，选择Particle size，将其拖入到直方图中

同样的，选择PSD_Overflow，选择Particle size，将其拖入到直方图中
结果如下图所示：

点击左上角的 configure histogram

进行如下设置，

结果如下图所示：

Enjoy！

案例链接：

通过百度网盘分享的文件：t3
链接：https://pan.baidu.com/s/1scu6eM0b_t1YS0CZmKNxiw
提取码：k733
–来自百度网盘超级会员V7的分享

注：案例来自于Rocky官方教程