Моделирование системы жидкость – твердые частицы при сопряженном решении задачи в Rocky Dem и Ansys Fluent

В настоящее время в горнодобывающей промышленности актуальной проблемой является повышение эффективности измельчения минерального сырья. Для каждого гранулометрического состава измельчаемого материала и измельчающих тел, также ряда других факторов, существует определенная зависимость, которая должна отвечать наибольшей эффективности процесса измельчения. Создание моделей измельчения с использованием современных технологий в дальнейшем помогут совершенствовать работу измельчительного оборудования для снижения энергоемкости процесса и повышения качества получаемых материалов. Движение среды в шаровой мельнице моделируется с помощью численного алгоритма, известного как метод дискретных элементов (DEM). С другой стороны, многие процессы в горнодобывающей промышленности связаны с движением частиц в потоке жидкости, например, процесс мокрого измельчения в мельнице моделируются методом вычислительной гидродинамики (CFD). Цель данной статьи заключается в изучении возможности использования сопряженного подхода DEM-CFD для моделирования систем жидкая среда — частицы с последующим применением полученных результатов для моделирования мокрого измельчения в шаровых мельницах. В результате численного моделирования удалось оценить возможности решения задач исследования процессов сокращения крупности минеральных частиц с использованием методов сопряжения программ Rocky DEM и ANSYS Fluent, получить графическое изображение процесса взаимодействия восходящего потока жидкости с твердыми частицами. Метод сопряжения программ Rocky DEM и ANSYS Fluent позволил дать оценку гидродинамических параметров при следующих вариантах взаимодействий: при взаимодействии жидкости с твердыми сферическими частицами, имеющими различные физические свойства; при взаимодействии различных жидкостей с твердыми сферическими частицами различного размера.

Опалев А. С., Паливода А. А. Моделирование системы жидкость – твердые частицы при сопряженном решении задачи в Rocky Dem и Ansys Fluent // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 12-1. – С. 78–93. DOI: 10.25018/0 236_1493_2022_121_0_78.

Опалев Александр Сергеевич¹ — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: a.opalev@ksc.ru, ORCID ID: 0000-0001-5120-7595,
Паливода Анита Александровна¹ — инженер, e-mail: 89533072508@mail.ru,
¹ Горный институт Кольского научного центра РАН.

Опалев А.С., e-mail: a.opalev@ksc.ru.

1. Бойков А. В., Савельев Р. В., Пайор В. А. Применение численного моделирования в горно-металлургической области / Сборник избранных статей по материалам научных конференций ГНИИ «Нацразвитие». — СПб., 2019. — С. 31—34.

2. Феоктистов А. Ю., Каменецкий А. А., Блехман Л. И., Васильков В. Б., Скрябин И. Н., Иванов К. С. Применение метода дискретных элементов для моделирования процессов в горно-металлургической промышленности // Записки Горного института. — 2011. — Т. 192. — С. 145.

3. Читалов Л. С., Львов В. В. Обзор компьютерных программ для моделирования процессов рудоподготовки и обогащения / Сборник избранных статей по материалам научных конференций «Нацразвитие». — СПб., 2020. — С. 1517—1523.

4. Rosenkranz S., Breitung-Faes S., Kwade A. Experimental investigations and modelling of the ball motion in planetary ball mills // Powder Technology. 2011, vol. 212, no. 1, pp. 224—230. DOI: 10.1016/j.powtec.2011.05.021.

5. Bian X., Wang G., Wang H., Wang S., Lv W. Effect of lifters and mill speed on particle behaviour, torque, and power consumption of a tumbling ball mill: Experimental study and DEM simulation // Minerals Engineering. 2017, vol. 105, pp. 22—35. DOI: 10.1016/j.mineng. 2016.12.014.

6. Powell M. S., Weerasekara N. S., Cole S., Laroche R. D., Favier J. DEM modelling of liner evolution and its influence on grinding rate in ball mills // Minerals Engineering. 2011, vol. 24, no. 3-4, pp. 341—351. DOI: 10.1016/j.mineng.2010.12.012.

7. Khakhalev P. A., Bogdanov V. S., Kovshechenko V. M. Kinetic parameters of grinding media in ball mills with various liner design and mill speed based on DEM modeling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 327, no. 4, article 042049. DOI: 10.1088/1757-899X/327/4/042049.

8. Юсупов Г. А. Моделирование щековой дробилки методом дискретных элементов // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. — 2017. — Т. 1. — С. 188—191.

9. Минасян Д. Г., Елоева А. С., Назаров С. Г., Скворцов П. А. Сравнение моделей движении измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа // Устойчивое развитие горных территорий. — 2021. — Т. 13. — № 1. — С. 119—124. DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-1-119-124.

10. Белоглазов И. И. Иконников Д. А. Применение метода дискретных элементов для моделирования процесса измельчения горных пород в щековой дробилке // Известия вузов. Приборостроение. — 2016. — Т. 59. — № 9. — С. 780—786. DOI: 10.17586/00213454-2016-59-9-780-786.

11. Nagata Yu, Tsunazawa Yuki, Tsukada Kouji, Yaguchi Yuichi, Ebisu Yosuke, Mitsuhashi Kohei, Tokoro Chiharu Effect of the roll stud diameter on the capacity of a high-pressure grinding roll using the discrete element method // Minerals Engineering. 2020, vol. 154, article 106412. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106412.

12. Li Yaoyu, Bao Jie, Yu Aibing, Yang Runyua ANN prediction of particle flow characteristics in a drum based on synthetic acoustic signals from DEM simulations // Chemical Engineering Science. 2021, vol. 246, article 117012. DOI: 10.1016/j.ces.2021.117012.

13. El-Emam M. A., Han C. A, Dong S. W., Zhou L. Rocky DEM-CFD simulation for realistic granular flowin an aerodynamic separating device / 2019 ASABE Annual International Meeting. Boston, 2019. DOI: 10.13031/aim.201900387.

14. El-Emam M. A., Shi W., Zhou L. CFD-DEM simulation and optimization of gas-cyclone performance with realistic macroscopic particulate matter // Advanced Powder Technology. 2019, vol. 30, no. 11, pp. 2686—2702. DOI: 10.1016/j.apt.2019.08.015.

15. Chu K. W., Wang B., Xu D. L., Chen Y. X., Yu A. B. CFD-DEM simulation of the gas– solid flow in a cyclone separator // Chemical Engineering Science. 2011, vol. 66, no. 5, pp. 834— 847. DOI: 10.1016/j.ces.2010.11.026.

16. Bna S., Ponzini R., Cestari M., Cavazzoni C., Cottini C., Benassi A. Investigation of particle dynamics and classification mechanism in a spiral jet mill through computational fluid dynamics and discrete element methods // Powder Technology. 2020, vol. 364, pp. 746—773. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.02.029.

17. Beloglazov I. I., Kuskova Y. V. Simulation of roasting metallurgical concentrates in fluidized bed using CFD-DEM // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, vol. 221, no. 1, article 012017. DOI: 10.1088/1755-1315/221/1/012017.

18. Курганова Н. В., Филин М. А., Черняев Д. С., Шаклеин А. Г., Намиот Д. Е. Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства // International Journal of Open Information Technologies. — 2019. — Т. 7. — № 5. — С. 105.

19. Шибанов Д. А., Иванов С. Л., Иванов А. А. Цифровые двойники в горном машиностроении, как инструмент повышения эффективности эксплуатации горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — СВ 3. — 16 c.

20. Бутко А. О., Кузнецов П. М., Хорошко Л. Л. Организация цифрового двойника процессов восстановления дробильно-измельчительного оборудования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 8. — С. 130—144. DOI: 10.25018/02361493-2020-8-0-130-144.

21. Матвеев И. А., Яковлев Б. В., Еремеева Н. Г. Моделирование движения частиц в рабочей зоне крутонаклонного концентратора // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 7. — С. 146—153. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_7_0_146.

22. Крылатова С. Р., Матвеев А. И., Лебедев И. Ф., Яковлев Б. В. Моделирование движения частицы в винтовом пневмосепараторе статистическими методами // Математические заметки СВФУ. — 2018. — Т. 25. — № 1. — С. 90—97.

23. le Roux J. D., Steinboeck A., Kugi A., Craig I. K. Steady-state and dynamic simulation of a grinding mill using grind curves // Minerals Engineering. 2020, vol. 152, no. 11, article 106208. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106208.

24. Moraga C., Kracht W., Ortiz J. M. Process simulation to determine blending and residence time distribution in mineral processing plants // Minerals Engineering. 2022, vol. 187, no. 12, article 107807. DOI: 10.1016/j.mineng.2022.107807.

25. Харламов С. Н., Джанхорбани М. Численный прогноз движения смеси вязкой капельной жидкости с твердыми частицами во входной области эксцентричных кольцевых труб и их очистки от шлама // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2022. — Т. 333. — № 6. — С. 18—41. DOI: 10.18799/24131830/ 2022/6/3615.

26. Zhang Chengwei, Zou Yudong, Gou Dazhao, Yu Aibing, Yang Runyu Experimental and numerical investigation of particle size and particle strength reduction in high pressure grinding rolls // Powder Technology. 2022, vol. 410, article 117892. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117892.

27. Белоглазов И. И., Сабинин Д. С., Николаев М. Ю. Моделирование процесса дезинтеграции в шаровых мельницах барабанного типа с использованием метода дискретных элементов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 268—282. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_268.

28. Nagata Yu, Minagawa Masayaa, Hisatomi Shosei, Tsunazawa Yuki, Okuyama Kyoko, Iwamoto Motonori, Sekine Yasuyoshi, Tokoro Chiharu Investigation of optimum design for nanoparticle dispersion in centrifugal bead mill using DEM-CFD simulation // Advanced Powder Technology. 2019, vol. 30, no. 5, pp. 1034—1042. DOI: 10.1016/j.apt.2019.02.018.

29. Boikov A., Savelev R., Payor V., Potapov A. Universal approach for dem parameters calibration of bulk materials // Symmetry. 2021, vol. 13, no. 6, article 1088. DOI: 10.3390/sym13061088.

30. Westbrink F., Elbel A., Schwung A., Ding S. X. Optimization of DEM parameters using multi-objective reinforcement learning // Powder Technology. 2021, vol. 379, pp. 602—616. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.10.067.

31. Львов В. В., Читалов Л. С. Современные тенденции подходов к расчету рудоподготовительных процессов и аппаратов для переработки руд цветных металлов // Цветные металлы. — 2020. — № 10. — С. 20—26. DOI: 10.17580/tsm.2020.10.03.

32. Ai J., Chen J. F., Rotter J. M., Ooi J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations // Powder Technology. 2011, vol. 206, no. 3. DOI: 10.1016/j.powtec.2010.09.030.

33. Walton O. R., Braun R. L. Viscosity, granular-temperature, and stress calculations for shearing assemblies of inelastic, frictional disks // Journal of Rheology. 1986, vol. 30, no. 5. DOI: 10.1122/1.549893.

34. Crowe C. T., Schwarzkopf J. D., Sommerfeld M., Tsuji Y. Multiphase flows with droplets and particles / Multiphase Flows with Droplets and Particles. 2011. DOI: 10.1201/b11103.