雙尺度粗粒化離散元方法及煤散料試驗驗證

李 博 ，劉 備 ，張 鵬 ，夏 蕊 ，王學文 ，趙婷婷 ，馮云田,3

（1.太原理工大學 煤礦綜采裝備山西省重點實驗室, 山西 太原 030024；2.太原理工大學 機械與運載工程學院, 山西 太原 030024；3.斯旺西大學辛克維奇計算工程中心, 英國 斯旺西 SA18EN）

0 引 言

離散元法廣泛應用于不同領域的顆粒力學行為模擬，包括化學與制藥工業[1]、農業[2]以及土木工程[3]等。在煤炭開采[4]、運輸[5]與篩分[6]過程中，離散元法被用于分析煤散料與剛性結構間的相互作用，優化機械參數從而提高作業性能。煤散料形狀不規則且數量巨大，模擬實際尺寸的煤顆粒系統在計算上非常耗時。普通計算機硬件無法滿足計算需求，當前的離散元模擬顆粒數量最多可以達到數千萬的水平[7]，然而，工業系統通常擁有數萬億顆粒，即使采用GPU 加速也無法滿足模擬要求。因此，在工業尺度上使用離散元法模擬大規模煤散料系統仍是一個挑戰。煤散料的堆積與運輸在煤炭工業現場十分常見，以往學者在進行煤散料系統模擬時，通常使用比實際尺寸大得多的煤顆粒，卻并沒有明確說明顆粒尺寸選擇的依據。

近年來，研究人員在粗粒化理論方面進行了較多研究，以期解決在工程應用中大規模顆粒系統計算的難題。有學者[8-9]提出相似顆粒組合（SPA）模型，并被用于大規模離散元法模擬。在該方法中，具有相似物理或化學特性的顆粒被放大h倍得到粗粒化顆粒。該方法假設粗粒化系統中顆粒的排列方式與原始系統相似，然而，該方法對于控制方程的縮放定律缺乏嚴格的理論推導，通過假定顆粒大小在顆粒動力行為中起決定性作用，直接將h3作為接觸力、液橋力及拖曳力的放大系數。……