散體介質流動性及其在料倉中卸料特性的研究.pdf

1、散料是自然界存在最多、工程應用最為廣泛、與人類日常生活生產密切相關的物質類型之一，這類物質通常會表現(xiàn)出異于流體、固體的許多非常復雜的靜動態(tài)性質，如離析現(xiàn)象、成拱現(xiàn)象等。作為這一領域的基礎性課題，散料的力學行為研究成為當前科學研究中遇到的最棘手問題之一。散料的流動性是散料力學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性能，例如散體的生產工藝、傳輸、儲存、裝填、混合等等操作單元。同時，散體的流動性對工業(yè)裝置的設計與

2、運行也是至關重要的，根據(jù)散體流動性的各個參數(shù)設計的設備，能夠滿足一般工藝需求，避免出現(xiàn)架橋、離析和其他導致流動停止或產生低質量產品的問題。此外，料倉是散料貯存的重要設施，掌握散料在料倉中的卸料流動規(guī)律，對于料倉的設計、優(yōu)化和運行控制，具有重要的學術意義和工程參考價值。然在已有的關于散料的流動行為的研究中，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行為之間的內在聯(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烈依賴于內部粒子之間的相互作用，因此，對散料介質微觀-宏觀性質的研究，可以從機理上對其現(xiàn)象給出合理的分析和解釋。離散動力學模型從而成為目前散粒體介質研究中一個非常重要的工具。
　　 本文基于改進的顆粒離散元模型，針對散體顆粒系統(tǒng)的流動性及其在料倉中的卸料流動特性等問題，通過對微觀尺度下各參數(shù)的影響分析，研究和揭示了物料在宏觀尺度下的流動特征，在此基礎上，把離散元模型和液橋模型結合起來，分析料倉中濕物料在

4、助流裝置中的卸料特性。研究工作主要包含以下幾個方面的內容:
　　 首先，運用所建立的改進離散元模型，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安息角的影響，并對二分散顆粒系統(tǒng)發(fā)生離析的成因以及離析的程度進行了調查。研究結果表明:滑動摩擦和滾動摩擦是形成散料堆積的主要原因，隨著滾動摩擦系數(shù)或滑動摩擦系數(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。對二分散顆粒系統(tǒng)，安息

5、角還與顆粒直徑比以及細顆粒質量分數(shù)有關。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的安息角都要小，且當細顆粒質量分數(shù)小于20％時，安息角隨著細顆粒質量分數(shù)的增加而減小，隨后安息角收斂于組元中細顆粒單分散時的安息角。除此之外，由不同直徑或是不同細顆粒質量分數(shù)組成的二元混合顆粒在平底料倉卸料過程中會產生離析現(xiàn)象，且離析程度隨著顆粒直徑比的增加而增加，隨細顆粒質量分數(shù)的增加而減小。隨后，應用建立好的適用于Jenike剪

6、切過程的離散動力模型，調查研究了顆粒摩擦特性對宏觀摩擦的影響，并與已經發(fā)表的研究結論進行了對比。為了消除試樣堆積密度對宏觀剪切響應的影響，在模擬中采用相同的初始堆積狀態(tài)。結果表明，內摩擦角隨著顆粒-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。模擬結果與現(xiàn)有的結論吻合較好。
　　 其次，以料倉內顆粒流動為研究對象，應用改進的離散動力模型，分析了量化表征料倉流型指數(shù)MFI以及料倉內二分

7、散混合顆粒卸料的質量流率與顆粒摩擦特性、倉壁摩擦特性、料倉半頂角、料倉卸料口開口尺寸等參數(shù)的關系和顆粒流動形態(tài)，揭示了散料在倉內重力流動過程的基本規(guī)律，為料倉設計提供了基本依據(jù)。結果表明:量化指標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;當料倉半頂角和壁面摩擦系數(shù)比較小時，其卸料流型為整體流，隨任何一個或是兩者的增加，其流型將由整體流轉變?yōu)橹行牧?，這與Jenike理論預測結

8、果一致，料倉半頂角和壁面摩擦系數(shù)對MFI的影響占主導地位;恢復系數(shù)對卸料流率的影響不大，可以忽略不計，相反，摩擦則對卸料流率影響很大，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預測關系式一致;半頂角的影響同樣也與Rose以及Brwon&Richards經驗關系式吻合較好;隨著細顆粒質量分數(shù)的增加，其卸料流率是增加的，且與Hu

9、mby經驗關系式預測結果一致;最后，堆積方式對卸料流率影響不大，可以忽略不計。
　　 最后，通過引入液橋力模型，結合改進的離散顆粒動力模型，模擬濕顆粒在有助流裝置引入的料倉內的卸料流動，研究了各參數(shù)對濕顆粒流動影響的規(guī)律。結果表明:改流體能有效改變倉內物料流動形式，使顆粒物料流動由中心流向整體流轉變;改流體對流型改變的同時，也會對倉內水平速度、垂直速度分布以及卸料流率產生影響?？傮w來說，在合適的位置安裝合適的改流體，其流型、內部

10、流場以及卸料流率都得到很好的改善，實現(xiàn)倉內物料的穩(wěn)定卸料;在料倉出口附近進行壁面補氣可以有效的提高粘性散料的卸料流率;卸料流率隨補氣量的增加而增加，但隨補氣量的進一步增加，卸料流率反而降低;在合適的位置進行壁面補氣或是采用組合方式可以避免架橋的產生，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、自行設計的補氣料倉試驗臺上對木屑卸料流動特性進行了試驗研究，調查了加料量、補氣方式、補氣量、粒徑以及卸料口開口尺寸對卸料流率的影響，并由試驗結果對所建立的適用于分析濕物料在補氣料倉中卸料的模型進行了驗證。試驗結果表明:對料倉進行壁面補氣可以有效破壞料倉中顆粒狀木屑所產生的架橋，實現(xiàn)木屑穩(wěn)定卸料，使卸料流率增加，且卸料完成后倉內殘留量很小;低補氣量下，不同的加料量其卸料流率變化不大，隨補氣量增加，加料量比較小時易獲得較大的卸料流率;對于粒