许多工业过程涉及粉末和颗粒材料的处理和运输。由于螺旋输送机具有出色的输送和混合能力，它们被广泛应用于采矿、冶金、食品加工、制药和可再生能源生产等行业[1,2]。受阿基米德螺旋的启发，这些输送机经过一个多世纪的技术演变和优化，发展成为坚固、易于控制、稳定、维护成本低且环保的输送系统。典型的螺旋输送机由外壳和内部螺旋轴组成[3,4]。优化螺旋输送机的输送性能需要考虑输送材料的物理性质以及螺旋叶片设计和操作参数的综合效应。关键因素包括输送机几何形状、螺旋尺寸和螺距、旋转速度、填充水平、倾斜角度、间隙以及颗粒材料的混合性能[[5], [6], [7]]。
由于实验研究的成本较高，螺旋输送机的设计仍然主要基于经验公式，许多参数的选择依赖于操作人员的经验[8]。当设计参数选择不当，螺旋输送机可能会出现输送效率低、能耗过高、使用寿命缩短、进料堵塞等运行问题[9,10]。这些问题可能导致能源成本大幅增加、频繁的维护停机，甚至生产中断和安全隐患。尽管螺旋输送机的结构相对简单，但其内部的颗粒运动非常复杂[[11], [12], [13]]。颗粒不仅受到重力、颗粒间作用力以及与外壳和螺旋叶片相互作用的影响，还受到传热和粘性效应的影响。现有的研究主要集中在宏观性能上，而对微观颗粒行为（如运动、力和碰撞）的了解甚少，而这些对于理解潜在的流动模式至关重要。
随着计算机技术的进步，数值模拟逐渐成为研究颗粒流动的重要工具[[14], [15], [16], [17]]。Cundall [18]引入了离散元方法（DEM），这是一种描述颗粒介质机械行为的数值方法。DEM利用牛顿运动定律追踪单个颗粒的运动，并允许为每个颗粒（无论是反应性的还是惰性的）分配固有的物理属性，如大小、密度和组成。当考虑传热过程时，可以耦合热传导模型为颗粒分配温度属性并追踪其随时间的演变。此外，DEM提供了丰富的颗粒尺度信息，包括颗粒轨迹、颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用以及力分布[19,20]。
多项研究利用DEM探索了螺旋输送机的性能。Pezo等人[8]研究了辅助螺旋如何通过结合三个互补的螺旋（与主螺旋同向或反向旋转）来影响颗粒混合，从而改变输送机的几何形状以改善混合过程和质量。Kimata等人[21]改进了用于输送稻壳的螺旋设计，并评估了其混合性能，发现剪切型螺旋具有较高的混合能力，而带状螺旋则效率较低。Chatre等人[22]证明螺旋螺距、直径、旋转速度和倾斜角度直接影响输送能力、扭矩、能耗和流动特性。Fernandez等人[23]使用DEM模拟了水平螺旋输送机中的颗粒输送，并报告称螺距、外壳直径和螺旋直径显著影响质量流量和螺旋磨损，而螺旋几何形状的变化会改变颗粒流动模式并影响能耗。Kalay等人[24]表明螺旋叶片几何形状和螺距对颗粒流动、混合和传热具有耦合效应，叶片修改和螺距优化显著影响停留时间、分离和加热效率。Ren等人[25]指出颗粒材料的宏观行为受其中观运动的控制。离散元建模可以揭示操作参数如何影响颗粒动力学，有助于优化旋转速度等条件以提高材料输送效率并降低能耗。Rhymer等人[26]发现桶状几何形状对双螺旋输送机中的颗粒输送有显著影响，其中八字形设计在DEM模拟中显示出最高的效率。不同的几何形状可能在吞吐量、颗粒力和混合效果之间产生权衡，且模拟结果在不同操作条件下大体一致。尽管大量研究记录了螺旋几何形状和操作参数对输送机性能的宏观影响，但目前文献中仍存在一些重要的知识空白。主要问题是，大多数现有的DEM研究仅限于实验室规模框架，往往无法捕捉在实际生产条件下运行的工业规模系统的复杂动态。关于这些大规模环境中粘性颗粒材料（如潮湿的粉煤灰）的同时混合和传热现象的文献也非常匮乏。此外，螺旋叶片的详细结构特征以及螺距和叶片配置之间的协同效应如何调节流动模式、力分布和能量传递也尚未完全阐明。最后，尽管颗粒大小分离是一个公认的现象，但其对宏观传热效率的明确影响在以前的研究中尚未得到充分探讨。填补这些空白对于建立微观相互作用机制与工业应用最终输送和热性能之间的稳健联系至关重要。
在这项工作中，对在实际生产条件下运行的工业螺旋输送机进行了基于DEM的数值研究。重点关注两个关键设计参数（即螺旋叶片配置和螺距），该研究采用高保真度的DEM模型系统地探讨了它们对颗粒尺度动力学和宏观性能的影响。通过明确关联颗粒流动模式、力分布、能量传递、分离行为和传热特性，这项工作为工业螺旋输送机的设计和优化提供了新的机制见解和实用指导。本文的其余部分组织如下：第2节介绍数学模型和数值设置。第3节描述了模拟参数，并对不同参数配置下的结果进行了详细分析和讨论。第4节总结了研究。
