基于CFD-DEM耦合的Al-PTFE复合材料机械活化过程研究

作     者：高晓阳 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张昌松

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：高能球磨 Al-PTFE复合粉体 多尺度建模 变形机制 离散元法-计算流体动力学 稠密离散相模型 

摘      要：铝(Al)粉凭借其独特的放热性能,经常作为助燃剂添加在火炸药和推进剂中。然而微米级Al粉在燃烧中会出现团聚现象,降低了能量释放效率。高能搅拌球磨方法制备的铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)复合粉体能够解决微米级Al粉燃烧中的团聚问题。本文通过多尺度建模方法,模拟了 Al-PTFE复合粉体的高能球磨过程,旨在研究粉体的变形机制,并分析影响粉体变形机制的主要参数。仿真结果用来指导现实中的球磨机结构与工艺优化,并为中试放大提供工艺参数优化建议。主要研究内容和结论如下:(1)采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合方法建立了高能球磨宏观尺度仿真模型,研究了磨球在流体中的运动规律,揭示了磨球相互碰撞机理。结果表明:将所有磨球视作整体,当球磨机内的磨球运动保持稳定时,磨球受到流体的作用力、与罐体竖直壁面接触产生的摩擦力以及与罐体底面接触产生的支撑力,以上三种力沿z轴向上的矢量和与磨球自身重力大小相等,方向相反,从而使整个磨球保持在一个稳定的高度上运动。经过统计分析,发现在磨球运动的稳定阶段,相对速度的法向分量频率分布呈现出幂律分布规律,磨球相互碰撞中的低速碰撞占主体,而相对速度法向分量会对切向分量分布产生间接影响,大相对速度法向分量区间内对应的切向分量数值普遍更大,且切向分量的数值分布也更加平均。(2)介观仿真通过稠密离散相模型(dense discrete phase model,DDPM)模拟了磨球撞击粉体过程,研究了不同相对速度下的流场以及粉体在流体中的位置分布,推导了相对速度与受撞击粉体数量之间的内在关系。结果表明:在磨球撞击粉体时,相对速度法向分量增大会导致碰撞接触点附近的流场速度梯度变化更加显著,被撞击的粉体数量会随之增多;相对速度切向分量增大则会导致碰撞接触点的两侧的流场速度(垂直于磨球相对运动速度方向)增加,被撞击的粉体数量也会有所下降。对不同相对速度下的受撞击粉体数量-相对速度切向与法向分量比值散点图进行拟合,得到一条指数型曲线,该曲线将相对速度与受撞击粉体数量紧密联系起来,通过计算得到的一定时间内作用与每个粉体上的应力能量分布。(3)建立了微米级粉体微压缩仿真模型(微观仿真),研究了粉体变形过程中的应力、应变以及能量变化,并通过微观仿真所得到的粉体能量变化与宏观、介观仿真计算得到的粉体应力能量分布对比,得到一定时间内的粉体形貌分布。结果表明:在0.02s内作用于粉体的应力能量分布区间较为广泛,导致短时内的粉体的形貌差异较大,受撞击的所有粉体中仅发生塑性变形的粉体数量占45.63%,54.37%的粉体均发生不同程度的断裂或破碎。而在短时间内受撞击的粉体数量在粉体总数中占比过少,说明搅拌球磨在短时间内形成的粉体形貌分布广泛,经过长时间的机械冲击下能够得到粒度较为平均的复合粉体。(4)将立式搅拌球磨机体积按几何相似放大为原来的8倍,通过对比放大前后的仿真结果对球磨机工艺参数展开了优化设计分析研究。结果表明:在保持工艺参数不变的情况下,模型放大会增加磨球的碰撞力、碰撞频率以及冲击能量等参数,粉体在高冲击能量下的应变速度加快,变形机制改变。将放大模型搅拌轴调整到适当的转速后,获得了与放大前模型相同的相对速度法向与切向分量分布,进而得到相同的粉体变形机制,通过数据对比,放大后的单个磨球的平均受撞击频率提高为放大前的1.14倍,球磨效率有所提高。