螺杆元件几何形状对双螺杆造粒过程中颗粒流动的影响：基于离散元方法（DEM）的研究

《Powder Technology》：Influence of screw element geometry on particle flow in twin screw granulation: A DEM study

本研究采用GPU增强的离散元法（DEM），系统分析输送、混合和 kneading元件对双螺杆造粒（TSG）中粉末流动特性的影响，发现输送元件可缩短平均驻留时间并降低功耗，而 kneading元件则相反。Peclet数主要影响轴向混合，不同元件对其影响较小。研究为优化TSG螺杆设计提供理论依据。

　　双螺杆造粒（Twin Screw Granulation, TSG）是连续制造过程中的关键步骤，其广泛应用于制药、化工和食品工业等领域。TSG通过两根相互啮合的螺杆将物料进行混合、塑形和造粒，从而获得具有更好物理特性的颗粒产品。然而，尽管TSG技术已被广泛采用，关于螺杆元件几何结构对粉末流动行为的影响仍缺乏深入理解。因此，本研究利用GPU增强的离散元法（Discrete Element Method, DEM）对不同类型的螺杆元件对颗粒运动学、停留时间分布（Residence Time Distribution, RTD）、佩克莱数（Peclet number）以及能耗的影响进行了定量分析。研究结果表明，输送元件能够显著缩短颗粒的平均停留时间，使停留时间分布更窄，并降低能耗；而混合作用元件则会延长颗粒的平均停留时间，使停留时间分布更宽，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性。有趣的是，大多数螺杆元件对佩克莱数的影响较小，而佩克莱数在TSG过程中主要控制轴向混合行为。这些发现为螺杆元件在TSG过程中的输送和混合性能提供了重要见解，并为优化TSG系统中的螺杆设计提供了理论依据。

在工业应用中，TSG设备通常由两根相互啮合的螺杆组成，螺杆上安装了多种类型的元件，如输送元件、混合作用元件和分布式混合元件，以实现不同的工艺效果。不同类型的元件对颗粒的流动特性、混合效率以及最终颗粒的物理性质具有显著影响。例如，输送元件（如LCE和SCE）通常用于促进物料的快速输送和混合，而混合作用元件则有助于增强颗粒之间的相互作用和混合均匀性。分布式混合元件则结合了输送和混合作用的特点，使其在TSG过程中能够实现更广泛的颗粒分布和更均匀的混合效果。因此，理解不同螺杆元件对TSG过程的影响，对于优化设备性能、提高产品质量以及降低能耗具有重要意义。

本研究通过GPU增强的离散元法对TSG过程中不同螺杆元件对颗粒流动特性的影响进行了系统性分析。离散元法是一种基于颗粒尺度的数值模拟方法，能够详细描述颗粒之间的相互作用，包括接触力、摩擦力和碰撞行为。通过该方法，研究者可以模拟颗粒在TSG设备中的运动轨迹、速度分布以及停留时间，从而揭示不同螺杆元件对颗粒流动的控制机制。研究过程中，构建了一个全尺寸的双螺杆造粒设备，并通过实验数据对DEM模型进行了验证，以确保其准确性。实验设备主要包括控制器、计算机、电机、螺杆、料筒、支架和电子天平，其中螺杆安装在料筒内部，并通过轴联器与电机连接。控制器负责调节设备的运行参数，如螺杆转速和填充水平，从而实现对颗粒流动的精确控制。

研究结果表明，螺杆元件的类型对颗粒的流动特性具有显著影响。输送元件能够促进物料的快速输送，减少颗粒在设备中的停留时间，并降低能耗。混合作用元件则能够增强颗粒之间的混合，使颗粒在设备中的停留时间更长，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性，能够在输送和混合之间取得平衡。此外，研究还发现，不同类型的螺杆元件对颗粒的大小和形状分布具有不同的影响。例如，输送元件通常能够生成较小、较粗糙的颗粒，而混合作用元件则有助于生成较大、较光滑的颗粒。这种差异主要源于螺杆元件对物料施加的不同作用力和剪切力，从而影响颗粒的形成和生长过程。

在TSG过程中，颗粒的物理性质，如孔隙率、密度、强度和压缩性，受到多种因素的影响，包括物料的配方特性、操作参数以及螺杆元件的配置。例如，较高的液体与固体比例通常能够生成较大的颗粒，但同时也可能增加颗粒的孔隙率，使其更容易破碎。而较低的液体与固体比例则可能导致颗粒较小，但具有更好的密度和强度。此外，较高的粘度可能有助于形成更均匀的颗粒，但同时也可能增加能耗。因此，螺杆元件的配置在TSG过程中对颗粒的最终性能具有关键作用。通过合理选择和配置螺杆元件，可以优化颗粒的大小、形状和物理性质，从而提高产品质量和生产效率。

本研究通过GPU增强的离散元法对不同类型的螺杆元件进行了详细模拟和分析。研究结果表明，输送元件能够显著提高物料的输送效率，减少颗粒的平均停留时间，并降低能耗。混合作用元件则能够增强颗粒之间的混合，使颗粒在设备中的停留时间更长，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性，能够在输送和混合之间取得平衡。此外，研究还发现，佩克莱数在TSG过程中主要控制轴向混合行为，而大多数螺杆元件对佩克莱数的影响较小。因此，螺杆元件的类型对颗粒的混合效率和最终性能具有重要影响，但其对佩克莱数的影响相对有限。

通过本研究，可以为TSG系统的螺杆设计提供科学依据。例如，在需要提高颗粒输送效率和降低能耗的情况下，可以选择输送元件；而在需要增强颗粒混合效果和提高产品质量的情况下，可以选择混合作用元件。分布式混合元件则适用于需要在输送和混合之间取得平衡的场景。此外，研究还发现，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。例如，在需要生成较大颗粒的情况下，可以选择混合作用元件；而在需要生成较小颗粒的情况下，可以选择输送元件。分布式混合元件则适用于需要生成中等大小颗粒的场景。

本研究的结果对于优化TSG系统的性能具有重要意义。首先，研究揭示了不同螺杆元件对颗粒流动特性的影响，为理解TSG过程中的物料行为提供了新的视角。其次，研究提供了关于颗粒停留时间分布和佩克莱数的定量分析，有助于优化设备的操作参数，如螺杆转速和填充水平，以提高颗粒的混合效果和产品质量。此外，研究还发现，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。最后，研究结果表明，GPU增强的离散元法是一种有效的工具，能够准确模拟TSG过程中的颗粒流动行为，并为优化设备设计和工艺参数提供科学依据。

在工业应用中，TSG设备的螺杆配置是一个关键因素，其直接影响颗粒的流动特性、混合效果以及最终产品质量。因此，研究者需要对不同类型的螺杆元件进行深入分析，以确定其在TSG过程中的最佳应用方式。本研究通过GPU增强的离散元法对不同类型的螺杆元件进行了系统性模拟和分析，揭示了其对颗粒流动特性、停留时间分布以及能耗的影响。研究结果表明，输送元件能够显著提高物料的输送效率，减少颗粒的平均停留时间，并降低能耗，而混合作用元件则能够增强颗粒之间的混合，使颗粒在设备中的停留时间更长，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性，能够在输送和混合之间取得平衡。

此外，研究还发现，佩克莱数在TSG过程中主要控制轴向混合行为，而大多数螺杆元件对佩克莱数的影响较小。因此，在优化TSG系统的混合效果时，需要重点关注螺杆元件的配置，而不是佩克莱数本身。研究还表明，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。例如，在需要生成较大颗粒的情况下，可以选择混合作用元件；而在需要生成较小颗粒的情况下，可以选择输送元件。分布式混合元件则适用于需要生成中等大小颗粒的场景。

通过本研究，可以为TSG系统的螺杆设计提供科学依据。首先，研究揭示了不同螺杆元件对颗粒流动特性的影响，为理解TSG过程中的物料行为提供了新的视角。其次，研究提供了关于颗粒停留时间分布和佩克莱数的定量分析，有助于优化设备的操作参数，如螺杆转速和填充水平，以提高颗粒的混合效果和产品质量。此外，研究还发现，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。最后，研究结果表明，GPU增强的离散元法是一种有效的工具，能够准确模拟TSG过程中的颗粒流动行为，并为优化设备设计和工艺参数提供科学依据。

在实际应用中，TSG系统的性能优化不仅依赖于操作参数的调整，还受到螺杆元件配置的影响。因此，研究者需要对不同类型的螺杆元件进行深入分析，以确定其在TSG过程中的最佳应用方式。本研究通过GPU增强的离散元法对不同类型的螺杆元件进行了系统性模拟和分析，揭示了其对颗粒流动特性、停留时间分布以及能耗的影响。研究结果表明，输送元件能够显著提高物料的输送效率，减少颗粒的平均停留时间，并降低能耗，而混合作用元件则能够增强颗粒之间的混合，使颗粒在设备中的停留时间更长，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性，能够在输送和混合之间取得平衡。

此外，研究还发现，佩克莱数在TSG过程中主要控制轴向混合行为，而大多数螺杆元件对佩克莱数的影响较小。因此，在优化TSG系统的混合效果时，需要重点关注螺杆元件的配置，而不是佩克莱数本身。研究还表明，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。例如，在需要生成较大颗粒的情况下，可以选择混合作用元件；而在需要生成较小颗粒的情况下，可以选择输送元件。分布式混合元件则适用于需要生成中等大小颗粒的场景。

通过本研究，可以为TSG系统的螺杆设计提供科学依据。首先，研究揭示了不同螺杆元件对颗粒流动特性的影响，为理解TSG过程中的物料行为提供了新的视角。其次，研究提供了关于颗粒停留时间分布和佩克莱数的定量分析，有助于优化设备的操作参数，如螺杆转速和填充水平，以提高颗粒的混合效果和产品质量。此外，研究还发现，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。最后，研究结果表明，GPU增强的离散元法是一种有效的工具，能够准确模拟TSG过程中的颗粒流动行为，并为优化设备设计和工艺参数提供科学依据。

在工业应用中，TSG系统的性能优化不仅依赖于操作参数的调整，还受到螺杆元件配置的影响。因此，研究者需要对不同类型的螺杆元件进行深入分析，以确定其在TSG过程中的最佳应用方式。本研究通过GPU增强的离散元法对不同类型的螺杆元件进行了系统性模拟和分析，揭示了其对颗粒流动特性、停留时间分布以及能耗的影响。研究结果表明，输送元件能够显著提高物料的输送效率，减少颗粒的平均停留时间，并降低能耗，而混合作用元件则能够增强颗粒之间的混合，使颗粒在设备中的停留时间更长，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性，能够在输送和混合之间取得平衡。

此外，研究还发现，佩克莱数在TSG过程中主要控制轴向混合行为，而大多数螺杆元件对佩克莱数的影响较小。因此，在优化TSG系统的混合效果时，需要重点关注螺杆元件的配置，而不是佩克莱数本身。研究还表明，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。例如，在需要生成较大颗粒的情况下，可以选择混合作用元件；而在需要生成较小颗粒的情况下，可以选择输送元件。分布式混合元件则适用于需要生成中等大小颗粒的场景。

通过本研究，可以为TSG系统的螺杆设计提供科学依据。首先，研究揭示了不同螺杆元件对颗粒流动特性的影响，为理解TSG过程中的物料行为提供了新的视角。其次，研究提供了关于颗粒停留时间分布和佩克莱数的定量分析，有助于优化设备的操作参数，如螺杆转速和填充水平，以提高颗粒的混合效果和产品质量。此外，研究还发现，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。最后，研究结果表明，GPU增强的离散元法是一种有效的工具，能够准确模拟TSG过程中的颗粒流动行为，并为优化设备设计和工艺参数提供科学依据。

综上所述，本研究通过GPU增强的离散元法对TSG过程中的不同螺杆元件进行了系统性分析，揭示了其对颗粒流动特性、停留时间分布以及能耗的影响。研究结果表明，输送元件能够显著提高物料的输送效率，减少颗粒的平均停留时间，并降低能耗，而混合作用元件则能够增强颗粒之间的混合，使颗粒在设备中的停留时间更长，并增加能耗。分布式混合元件则表现出介于两者之间的特性，能够在输送和混合之间取得平衡。此外，研究还发现，佩克莱数在TSG过程中主要控制轴向混合行为，而大多数螺杆元件对佩克莱数的影响较小。因此，在优化TSG系统的混合效果时，需要重点关注螺杆元件的配置，而不是佩克莱数本身。研究还表明，螺杆元件的配置对颗粒的大小和形状分布具有显著影响，因此在实际应用中，需要根据具体的工艺需求选择合适的螺杆元件类型和配置。最后，研究结果表明，GPU增强的离散元法是一种有效的工具，能够准确模拟TSG过程中的颗粒流动行为，并为优化设备设计和工艺参数提供科学依据。