汇集装置采用多支路管道与旋风分离器结合的结构形式，实现多品种中药颗粒的传输与汇集。颗粒汇集装置几何模型如 图1 所示，汇集装置左右两侧共设置了24个管道入口，可以多路并行对颗粒的汇集，工作时，颗粒依靠自身重力和旋风分离器上方风机提供的负压吸入管道及旋风分离器中，并在旋风分离其中完成气固分离，气体从旋风分离器的排气口排出，中药颗粒下落到料仓，几何结构参数如 表1 和 表2 。

在CFD-DEM中，固相被视为离散项，粒子在任何时间t的平移和旋转运动都可以用牛顿定律来描述：

$m_i\frac{\text{d}{v}_i}{\text{d}t}=f_{p-f,i}+{\displaystyle \underset{j=1}{\overset{k_i}{\sum }}\left(f_{c,ij}+f_{d,ij}\right)}+m_{i}g$(1)

$I_i\frac{\text{d}{\omega }_i}{\text{d}t}={\displaystyle \underset{j=1}{\overset{k_i}{\sum }}\left(T_{ij}+M_{ij}\right)}$(2)

式中： $m_i$， $I_i$， $v_i$和 ${\omega }_i$分别是粒子i的质量，惯性矩，平移和旋转速度。作用在固相上的力是气固相互作用力 $f_{p-f,i}$，粒子i和j之间的粒子之间的力包括，接触力 $f_{c,ij}$，粘性阻尼力 $f_{d,ij}$和重力 $m_{i}g$。粒子间力在与粒子i接触的 $k_i$粒子上求和。切向力产生力矩 $T_{ij}$，并导致粒子i旋转，因为粒子间力作用在粒子i和j之间的接触点，而不是粒子中心。 $M_{ij}$是与第i个粒子旋转相反的滚动摩擦转矩。

流体被视为连续相，其微观尺度运动由局部平均Navier-stokes方程求解，质量和动量守恒由如下式：

$\frac{\partial \left({\rho }_f\epsilon \right)}{\partial t}+\nabla \cdot \left({\rho }_f\epsilon u\right)=0$(3)

$\frac{\partial \left({\rho }_f\epsilon u\right)}{\partial t}+\nabla \cdot \left({\rho }_f\epsilon uu\right)=-\nabla P-F_{p-f}+\nabla \cdot \left(\epsilon \tau \right)+{\rho }_f\epsilon g+\nabla \cdot \left(-{\rho }_f\overline{u^{\prime }{u}^{\prime }}\right)$(4)

式中： $\epsilon$为孔隙率； $u,u^{\prime }$为平均流体速度和波动流体速度； $F_{p-f}$为体积流体–颗粒相互作用力； $t,{\rho }_f,P,\tau$和g分别为时间，流体密度，压力，粘性应力张量和重力加速度。 $K_c$是CFD单元中的网格数量， $V_{cell}$是网格体积； $-{\rho }_f\overline{u^{\prime }{u}^{\prime }}$是湍流引起的雷诺应力项。

使用fluent meshing中对颗粒汇集装置几何模型进行三维非结构六面体网格划分， 图2 显示了颗粒汇集装置CFD网格，入口打开数量为10的条件下，边界层数为3层，网格最大歪斜律为0.3，达到计算要求。对网格无关性进行验证，在出口流速10 m/s，分别设置了三组不同计算节点的网格，分别为282,926，363,630，487,625个网格数量，稳态模式迭代稳定。计算压降差异小于5%，这表明计算结果与网格大小无关，见 表3 。因此最终计算采用节点数量为363,630的网格。

在CFD-DEM耦合计算中，采用SIMPLEC压力–速度耦合算法，标准壁面，RSM湍流模型，插值算法PRESTO，求解动量方程为QUICK，湍流动能和耗散曲率为二阶迎风格式，RSM为一阶迎风。对照中国药典常用处方的中成药配伍，主要药味在10味以下的应占70%以上，在颗粒汇集装置中选取汇集装置左右边各五个入口，共10个多支路管道入口。入口设为压力入口，出口设为速度出口，壁面处为标准无滑移边界条件，入口和出口处采用5%的湍流强度，fluent时间步长为1 × 10⁻⁴s。在模拟时，DEM中管道入口的颗粒由颗粒工厂随机产生，DEM时间步长为1 × 10⁻⁶s，模拟仿真均采用双向耦合。共进行了5种工况的模拟，当汇集装置对颗粒进行传输汇集时，排气口出口速度分别8 m/s，10 m/s，12 m/s，当颗粒完全进入旋风分离器进行颗粒汇集时，出口速度为6 m/s，3 m/s，根据常见内科疾病中药配方颗粒处方精选 [7] ，据统计颗粒剂处方一次最多服用均在20 g以内，设置每个入口颗粒质量流率和给料量分别为40 g/s和2 g，本文采用Furukawa R [8] 文献中对制药颗粒的参数标定数据。

图3 显示了3 s时不同出口速度下汇集装置的颗粒流态(a = 8 m/s，b = 12 m/s)，在锥体区域和料仓区域建立grid bin group统计颗粒质量。如 图3(a) 所示，当出口速度为8 m/s时，有颗粒在管道内发生堆积，管道中的气体流速较小，不足以使颗粒完全进入旋风分离器中进行气固分离；同时可以观察，管道内残留的颗粒位置有所不同，这是由于开口位置不同，造成的气路管道内气体流量的不匹配；如 图3(b) 所示，当出口速度为12 m/s时，颗粒完全进入旋风分离器中，汇集过程中有部分颗粒从汇集装置排气口逃逸，分离效率下降。随着出口速度逐渐增加，锥体部分的颗粒向上运动，且圆周旋转的颗粒逐渐增加。

颗粒经多支路管道进入旋风分离器后，在离心力的作用下沿着分离器的内壁面向下流动 [9] ， 图4 显示了出口速度为10 m/s时颗粒汇集装置内部颗粒流态，经过3 s的模拟时间，在当前的CFD-DEM模型中，颗粒在管道无残留，并且颗粒没有从出口逃逸的现象发生，在颗粒进入分离空间后，旋风分离器锥体区域产生一些“停滞”颗粒做水平圆周旋转，没有到达底部，出现这种现象是因为圆锥部分的速度分布剖面值较高，对旋风分离器底部料仓的颗粒收集产生负面影响 [10] ，颗粒将悬浮在锥形部分，不会从旋风分离器中出来，根据这些观测结果，在颗粒经多支路管道进入旋风分离器后，需要设计的一个合适的速度来收集旋流器底部的颗粒。

图5 显示了颗粒进入旋风分离器后，不同出口速度下的颗粒收集状态(a = 6 m/s，b = 3 m/s)。如 图5(a) 所示，当出口速度为6 m/s时，仍有部分颗粒悬浮在旋风分离器的锥体区域，如 图5(b) 所示，当出口速度下降到3 m/s时，颗粒完全收集在料仓中，达到宏观稳定状态。因此，当颗粒通过管道完全进入旋风分离器进行汇集时，出口速度至少要下降到3 m/s及以下。