散體介質(zhì)流動(dòng)性及其在料倉(cāng)中卸料特性的研究.pdf

1、散料是自然界存在最多、工程應(yīng)用最為廣泛、與人類日常生活生產(chǎn)密切相關(guān)的物質(zhì)類型之一，這類物質(zhì)通常會(huì)表現(xiàn)出異于流體、固體的許多非常復(fù)雜的靜動(dòng)態(tài)性質(zhì)，如離析現(xiàn)象、成拱現(xiàn)象等。作為這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)性課題，散料的力學(xué)行為研究成為當(dāng)前科學(xué)研究中遇到的最棘手問題之一。散料的流動(dòng)性是散料力學(xué)性能中最主要的性能之一，在散體的許多單元操作過程中均涉及到散體的流動(dòng)性能，例如散體的生產(chǎn)工藝、傳輸、儲(chǔ)存、裝填、混合等等操作單元。同時(shí)，散體的流動(dòng)性對(duì)工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)與

2、運(yùn)行也是至關(guān)重要的，根據(jù)散體流動(dòng)性的各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)備，能夠滿足一般工藝需求，避免出現(xiàn)架橋、離析和其他導(dǎo)致流動(dòng)停止或產(chǎn)生低質(zhì)量產(chǎn)品的問題。此外，料倉(cāng)是散料貯存的重要設(shè)施，掌握散料在料倉(cāng)中的卸料流動(dòng)規(guī)律，對(duì)于料倉(cāng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和運(yùn)行控制，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程參考價(jià)值。然在已有的關(guān)于散料的流動(dòng)行為的研究中，大多集中于從宏觀角度來描述，而從微觀角度研究顆粒特性與其流動(dòng)行為之間的內(nèi)在聯(lián)系尚顯得不夠。再者散料系統(tǒng)一般是由大量微觀粒子所組成，故其

3、所表現(xiàn)出的各種宏觀特性都強(qiáng)烈依賴于內(nèi)部粒子之間的相互作用，因此，對(duì)散料介質(zhì)微觀-宏觀性質(zhì)的研究，可以從機(jī)理上對(duì)其現(xiàn)象給出合理的分析和解釋。離散動(dòng)力學(xué)模型從而成為目前散粒體介質(zhì)研究中一個(gè)非常重要的工具。
　　 本文基于改進(jìn)的顆粒離散元模型，針對(duì)散體顆粒系統(tǒng)的流動(dòng)性及其在料倉(cāng)中的卸料流動(dòng)特性等問題，通過對(duì)微觀尺度下各參數(shù)的影響分析，研究和揭示了物料在宏觀尺度下的流動(dòng)特征，在此基礎(chǔ)上，把離散元模型和液橋模型結(jié)合起來，分析料倉(cāng)中濕物料在

4、助流裝置中的卸料特性。研究工作主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　 首先，運(yùn)用所建立的改進(jìn)離散元模型，從微觀角度分析了單分散顆粒以及二分散顆粒系統(tǒng)的安息角，著重研究了顆粒特性以及材料特性對(duì)安息角的影響，并對(duì)二分散顆粒系統(tǒng)發(fā)生離析的成因以及離析的程度進(jìn)行了調(diào)查。研究結(jié)果表明:滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦是形成散料堆積的主要原因，隨著滾動(dòng)摩擦系數(shù)或滑動(dòng)摩擦系數(shù)的增加，安息角是增加的，相反，隨著顆粒粒徑的增加安息角是減小的。對(duì)二分散顆粒系統(tǒng)，安息

5、角還與顆粒直徑比以及細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，二分散混合顆粒的安息角比組成該混合顆粒的兩組元單分散時(shí)的安息角都要小，且當(dāng)細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20％時(shí)，安息角隨著細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，隨后安息角收斂于組元中細(xì)顆粒單分散時(shí)的安息角。除此之外，由不同直徑或是不同細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成的二元混合顆粒在平底料倉(cāng)卸料過程中會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象，且離析程度隨著顆粒直徑比的增加而增加，隨細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。隨后，應(yīng)用建立好的適用于Jenike剪

6、切過程的離散動(dòng)力模型，調(diào)查研究了顆粒摩擦特性對(duì)宏觀摩擦的影響，并與已經(jīng)發(fā)表的研究結(jié)論進(jìn)行了對(duì)比。為了消除試樣堆積密度對(duì)宏觀剪切響應(yīng)的影響，在模擬中采用相同的初始堆積狀態(tài)。結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角隨著顆粒-顆粒摩擦系數(shù)的增加而增加，且逐漸逼近一漸進(jìn)值，壁摩擦角也隨著顆粒-壁面摩擦系數(shù)的增加而增加。模擬結(jié)果與現(xiàn)有的結(jié)論吻合較好。
　　 其次，以料倉(cāng)內(nèi)顆粒流動(dòng)為研究對(duì)象，應(yīng)用改進(jìn)的離散動(dòng)力模型，分析了量化表征料倉(cāng)流型指數(shù)MFI以及料倉(cāng)內(nèi)二分

7、散混合顆粒卸料的質(zhì)量流率與顆粒摩擦特性、倉(cāng)壁摩擦特性、料倉(cāng)半頂角、料倉(cāng)卸料口開口尺寸等參數(shù)的關(guān)系和顆粒流動(dòng)形態(tài)，揭示了散料在倉(cāng)內(nèi)重力流動(dòng)過程的基本規(guī)律，為料倉(cāng)設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。結(jié)果表明:量化指標(biāo)MFI隨著顆粒-顆粒間摩擦系數(shù)的增加而減小，但減幅不大;MFI值隨卸料口開口尺寸的減小而減小，減幅也不大;當(dāng)料倉(cāng)半頂角和壁面摩擦系數(shù)比較小時(shí)，其卸料流型為整體流，隨任何一個(gè)或是兩者的增加，其流型將由整體流轉(zhuǎn)變?yōu)橹行牧?，這與Jenike理論預(yù)測(cè)結(jié)

8、果一致，料倉(cāng)半頂角和壁面摩擦系數(shù)對(duì)MFI的影響占主導(dǎo)地位;恢復(fù)系數(shù)對(duì)卸料流率的影響不大，可以忽略不計(jì)，相反，摩擦則對(duì)卸料流率影響很大，尤其是顆粒-顆粒間的摩擦在決定卸料流率方面要重要于顆粒-壁面摩擦系數(shù);研究結(jié)果還表明，卸料流率隨卸料口開口尺寸的變化以5/2方變化，與修正的Beverloo預(yù)測(cè)關(guān)系式一致;半頂角的影響同樣也與Rose以及Brwon&Richards經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式吻合較好;隨著細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其卸料流率是增加的，且與Hu

9、mby經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式預(yù)測(cè)結(jié)果一致;最后，堆積方式對(duì)卸料流率影響不大，可以忽略不計(jì)。
　　 最后，通過引入液橋力模型，結(jié)合改進(jìn)的離散顆粒動(dòng)力模型，模擬濕顆粒在有助流裝置引入的料倉(cāng)內(nèi)的卸料流動(dòng)，研究了各參數(shù)對(duì)濕顆粒流動(dòng)影響的規(guī)律。結(jié)果表明:改流體能有效改變倉(cāng)內(nèi)物料流動(dòng)形式，使顆粒物料流動(dòng)由中心流向整體流轉(zhuǎn)變;改流體對(duì)流型改變的同時(shí)，也會(huì)對(duì)倉(cāng)內(nèi)水平速度、垂直速度分布以及卸料流率產(chǎn)生影響?？傮w來說，在合適的位置安裝合適的改流體，其流型、內(nèi)部

10、流場(chǎng)以及卸料流率都得到很好的改善，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)物料的穩(wěn)定卸料;在料倉(cāng)出口附近進(jìn)行壁面補(bǔ)氣可以有效的提高粘性散料的卸料流率;卸料流率隨補(bǔ)氣量的增加而增加，但隨補(bǔ)氣量的進(jìn)一步增加，卸料流率反而降低;在合適的位置進(jìn)行壁面補(bǔ)氣或是采用組合方式可以避免架橋的產(chǎn)生，提高卸料流率;隨著Bo數(shù)的增大，卸料流率減小;含水量對(duì)卸料流率的影響取決于Bo數(shù)，在低Bo數(shù)下，卸料流率隨著含水量的增加基本不變，然而，高Bo數(shù)下，卸料流率則隨著含水量的增加而減小。隨后，在

11、自行設(shè)計(jì)的補(bǔ)氣料倉(cāng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)木屑卸料流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，調(diào)查了加料量、補(bǔ)氣方式、補(bǔ)氣量、粒徑以及卸料口開口尺寸對(duì)卸料流率的影響，并由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立的適用于分析濕物料在補(bǔ)氣料倉(cāng)中卸料的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行壁面補(bǔ)氣可以有效破壞料倉(cāng)中顆粒狀木屑所產(chǎn)生的架橋，實(shí)現(xiàn)木屑穩(wěn)定卸料，使卸料流率增加，且卸料完成后倉(cāng)內(nèi)殘留量很小;低補(bǔ)氣量下，不同的加料量其卸料流率變化不大，隨補(bǔ)氣量增加，加料量比較小時(shí)易獲得較大的卸料流率;對(duì)于粒