使用 EDEM 仿真和機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)

回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)是各工業(yè)流程中必不可少的部件，該系統(tǒng)的熱機(jī)械行為尚未完全了解，設(shè)備設(shè)計在很大程度上是經(jīng)驗性的，能源效率低下和可靠性欠佳是常見的問題。

在這種情況下，基于 EDEM 離散元的物理高保真虛擬原型制作和優(yōu)化可以提供一種快速且高效的工作流程。

本文介紹了一種高效的虛擬優(yōu)化方法，該方法在Inspire、SimLab、EDEM 和 AcuSolve 中集成了 CAD 建模、幾何參數(shù)化和基于物理的高保真仿真，并在 HyperStudy 中集成了機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化和自動化快速確定回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)的最佳設(shè)計和運(yùn)行條件。

仿真工作流程

當(dāng)烘干機(jī)旋轉(zhuǎn)時，揚(yáng)料板會產(chǎn)生一種受揚(yáng)料板角度影響的簾幕效果。當(dāng)熱空氣流和顆粒質(zhì)量取得良好平衡時，允許流體和顆粒之間有更大的接觸，從而實現(xiàn)有效干燥。

該案例優(yōu)化的目的是為給定的一組氣流特性確定一個最佳的揚(yáng)料板角度，以提高其干燥效率。

圖1：EDEM仿真與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合優(yōu)化回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)

使用Inspire進(jìn)行幾何參數(shù)化

回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)的設(shè)計優(yōu)化從幾何參數(shù)化開始，該參數(shù)化在 Inspire 中進(jìn)行。

設(shè)計參數(shù)空間是通過為草圖和幾何工具分配變量來定義的，Inspire 中的變量管理器用于更新這些參數(shù)值以更改設(shè)備的設(shè)計。

圖 2 為 CAD 參數(shù)空間，側(cè)重于揚(yáng)料板的幾何形狀，它會影響顆粒的運(yùn)動，從而影響干燥速率。右圖顯示了變量更改后產(chǎn)生的不同揚(yáng)料板設(shè)計配置。

圖2：Inspire 幾何參數(shù)空間（左）及不同揚(yáng)料板設(shè)計（右）

使用EDEM 進(jìn)行顆粒系統(tǒng)仿真

EDEM 是一款市場領(lǐng)先的離散元仿真軟件，專用于工業(yè)散裝顆粒系統(tǒng)的研究。

對于該案例模擬，使用 EDEM 中的 GEMM 數(shù)據(jù)庫作為起點(diǎn)，根據(jù)實際值創(chuàng)建自定義的未校準(zhǔn) EDEM 材料模型。對于實際物料應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)或使用過往項目已完成校準(zhǔn)的物料模型。

將設(shè)備 CAD 模型導(dǎo)入 EDEM 后對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動定義。

對于顆粒和顆粒之間的相互作用，通過添加熱傳導(dǎo)和噴涂附加模型，模擬傳熱和傳質(zhì)過程。

為了提高計算效率，對該系統(tǒng)模型進(jìn)行簡化處理。邊界顆粒流是使用 EDEM 記錄工廠從干燥過程的全模擬中傳輸而來的。如圖 3 所示，顆粒流在單個滾筒旋轉(zhuǎn)中以穩(wěn)態(tài)記錄，并在簡化模型中以相同的頻率連續(xù)循環(huán)。

圖3：EDEM 模擬顆粒混合干燥過程

使用SimLab 進(jìn)行多物理場建模

氣相在 SimLab 中建模，SimLab 是多物理場預(yù)處理器，此處用作 CFD 求解器 AcuSolve 的接口。

將烘干機(jī) CAD 模型導(dǎo)入 SimLab，提取流體域。定義流體域后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界條件。

瞬態(tài) AcuSolve 仿真將用于 EDEM-AcuSolve 雙向耦合仿真。但是，通常的做法是先運(yùn)行穩(wěn)態(tài) Acusolve 單獨(dú)仿真，然后將其結(jié)果（壓力、速度等）用作瞬態(tài)仿真的初始條件。

在 EDEM 中打開耦合開關(guān)，定義 EDEM 時間步長、保存間隔、選擇性保存（可選）和求解器引擎后，在 Simlab 啟動 AcuSolve 耦合仿真計算。

圖4：CFD 流場溫度分析

使用 HyperStudy 生成 DoE

對參數(shù)空間進(jìn)行采樣以進(jìn)行統(tǒng)計分析或模型擬合的一種有用方法是使用 HyperStudy DoE 實驗設(shè)計功能。

該案例將涉及多個批處理腳本的模塊轉(zhuǎn)變成以下兩個更加簡潔有效的模型設(shè)置。

a) SimLab 模型– 導(dǎo)入 Inspire - CAD 數(shù)據(jù)庫，參數(shù)化給定設(shè)計配置的幾何變量，導(dǎo)出表面網(wǎng)格幾何結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建流體域并設(shè)置 CFD 工況，包括耦合求解和變量。

b) EDEM 模型– 導(dǎo)入 SimLab 導(dǎo)出的表面網(wǎng)格幾何圖形，并將 EDEM 與 AcuSolve 求解器耦合，執(zhí)行 SimLab 生成的輸入文件。

EDEM-HyperStudy 連接器允許自定義 EDEM 變量，并接受求解器輸入?yún)?shù)。在 HyperStudy 中添加 SimLab 模型會導(dǎo)入所有可在 HyperStudy 中調(diào)整的幾何變量。

案例輸入?yún)?shù)空間為流速和揚(yáng)料板角度，仿真評價該工藝性能指標(biāo)為 EDEM 輸出的總蒸發(fā)速率。下圖為通過 HyperStudy DoE 功能生成的 11 個計算工況。

圖5：HyperStudy 生成 DoE 數(shù)據(jù)

使用HyperStudy 進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化

單目標(biāo)優(yōu)化

擬合響應(yīng)模型用于使用 HyperStudy 的遺傳算法 - GA 進(jìn)行快速優(yōu)化。它可在幾秒鐘內(nèi)評估數(shù)千個不同的參數(shù)組合并有效識別給定目標(biāo)的全局最佳參數(shù)。

如圖 6 所示，以在固定流速下最大化蒸發(fā)速率為目標(biāo)，通過 HyperStudy遺傳算法 - 單目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行生成了單個揚(yáng)料板角度最佳值。

與原始結(jié)構(gòu)相比，由此產(chǎn)生的最佳揚(yáng)料板角度導(dǎo)致的總蒸發(fā)速率增加3.8%，最大限度地提高了干燥效果。

圖6：HyperStudy 單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

多目標(biāo)優(yōu)化

或者，HyperStudy 的多目標(biāo)遺傳算法 - MOGA 可用于優(yōu)化多個目標(biāo)的參數(shù)組合（目標(biāo)可以是互補(bǔ)的，也可以是相互競爭的）。在這種情況下，優(yōu)化目標(biāo)是最小化流速以節(jié)省能源，并最大限度地提高 EDEM 蒸發(fā)速率。

此外，可以將加權(quán)和方法應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行，以收斂到一個最佳點(diǎn)。這是通過為目標(biāo)分配權(quán)重來實現(xiàn)的，對應(yīng)于它們的相對重要性。

通過改變目標(biāo)的相對權(quán)重，我們可以針對“最節(jié)能”配置（通過增加“最小化流速”的權(quán)重）或“最大干燥”配置（通過增加“最大化蒸發(fā)速率”的權(quán)重）進(jìn)行優(yōu)化。加權(quán)和方法的結(jié)果如圖 7 中的 3-D 散點(diǎn)圖所示，其中標(biāo)記了單個最佳點(diǎn)。

圖7：HyperStudy 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

總結(jié)

通過Inspire、EDEM、SimLab、AcuSolve 和HyperStudy 軟件工具的組合使用，將涉及顆粒-流體的復(fù)雜系統(tǒng)簡化到一個模型中，實現(xiàn)快速高效的虛擬優(yōu)化。

如上文介紹的回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)案例，僅僅對揚(yáng)料板角度做了微小改變，卻使顆粒材料在傳熱處的流動性更好，蒸發(fā)速率提高了 3.8%，從而提高了烘干機(jī)的能源效率，這也展示出了利用這一工作流程優(yōu)化的威力。

圖8：EDEM 蒸發(fā)速率

基于 EDEM 離散元仿真，允許進(jìn)一步分析回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)的運(yùn)行情況：

- 優(yōu)化轉(zhuǎn)速和其他運(yùn)行參數(shù)，以最大限度地提高效率

- 預(yù)測不同揚(yáng)料板結(jié)構(gòu)對顆粒混合干燥過程的影響

- 深入了解不同起始水分含量水平下不同散裝物料的干燥條件

- 預(yù)測維護(hù)要求和系統(tǒng)磨損

- 深入了解真實規(guī)模的系統(tǒng)

仿真完成后，可以在 EDEM 中進(jìn)行一些后處理以專注于顆粒系統(tǒng)分析，或在 CFD 中進(jìn)行一些后處理以專注于氣流分析，或結(jié)合 HyperStudy 專注于參數(shù)虛擬優(yōu)化。