滚筒内颗粒混合过程的实验研究

通过自行设计搭建的滚筒实验平台,以玻璃珠为颗粒材料,探究了不同尺寸颗粒的混合/分离过程,并测量不同操作参数下的滚筒功率消耗.实验结果表明:高填充比时颗粒分离现象更明显,呈现典型的小颗粒被大颗粒包围的现象.在低填充比时,对于尺寸接近的颗粒不同转速下的颗粒分离现象不明显.颗粒粒径差距越大,颗粒分离现象越明显.随着滚筒转速和填充比的逐渐增大,功率消耗逐渐增大,而相比之下功率消耗对粒径比的敏感性比较低.     

旋转圆筒内二元颗粒体系的分离与混合研究

研究了颗粒密度、转速对旋转圆筒内二元颗粒体系混合与分离的影响。研究发现当两种颗粒直径相同时,密度比越大,二元颗粒体系分离的越明显;当两种颗粒的直径相同时,转速越大,颗粒体系分离增加,但转速增加到一定值时,二元颗粒体系出现离心运动,处于混合。通过理论分析发现从混合到分离的临界值。     

振动颗粒分离与床层内低压区的关系

近年来,人们对振动颗粒分离的现象进行了许多研究,提出了不少机理解释巴西果效应.到目前为止,振动颗粒分离的实验都是在床底封闭,振动过程中颗粒床内压力梯度发生周期性变化的情况下进行的.在受垂直振动激励的二维颗粒床(床层颗粒为平均粒径2 mm的分子筛)中通入空气,以保持振动过程中压力梯度方向不变,研究了气体对9种不同的大颗粒运动的影响.大颗粒是由有机玻璃制成的圆柱,与床层颗粒的密度比为0.33～3.62.在床内一直为负压力梯度的情况下观察到了颗粒体系发生"巴西果效应".实验结果表明振动过程中床层内形成的低压区或沿床高周期性产生的压力梯度方向变化不能作为小颗粒填充效应的原因.认为振动过程中由于激振频率与颗粒层振动频率的不同导致颗粒之间相位角的差异引起了颗粒分离.     

回转窑内二元颗粒物料的径向混合

研究了颗粒尺寸差异和密度差异对二元物料在回转窑内混合的影响. 采用离散单元法建立颗粒物料的运动模型,模拟滚落运动模式下二元物料在回转窑内的径向混合过程;通过颗粒接触数定义混合程度评价指数,结合Hong的渗流与凝聚竞争理论分析颗粒体积比σ和密度比η对二元物料混合程度的影响. 结果表明:增大体积比σ会增强渗流作用,增大密度比η会增强凝聚作用,无论渗流或凝聚占据主导作用,均会导致物料在混合过程中产生径向分离,使混合程度降低;对σ与η进行配置后,可以使渗流与凝聚两种机理彼此平衡,达到物料混合均匀的目的;物料的渗流-凝聚平衡曲线中,σ与η呈幂函数关系.     

基于非阻塞性颗粒阻尼技术的填充颗粒对约束阻尼结构减振性能的影响

为使传统的约束阻尼结构的减振性能进一步提高,引入了非阻塞性颗粒阻尼技术,通过颗粒运动状态分析和悬臂梁试验研究了填充颗粒对基于非阻塞性颗粒阻尼技术的约束阻尼结构减振性能,探讨了颗粒填充率、粒径和密度对结构的振动响应、复合损耗因子等阻尼特性的影响规律.结果表明:随着填充率的增加,复合损耗因子呈先增大后减小的趋势,当填充率在50％时损耗因子最高为0.144 7,提高了60.78％,振幅趋于平稳耗时0.257 8 s,此时颗粒呈块状剧烈运动,阻尼效果最为理想;填充等直径钢球颗粒的粒径由0.8 mm增至2.0 mm,复合损耗因子仅增加0.001 5,振幅趋于平稳耗时仅差0.003 9 s,对结构的减振性能无明显影响;填充不等直径的钢球颗粒的质量比为1∶1时,复合损耗因子最大为0.159 1,进一步提高了10％;填充颗粒质量相同时,密度小的材料减振效果最好,体积不变时,密度大的更佳可见基于非阻塞性颗粒阻尼技术的填充颗粒能够提高约束阻尼结构的减振性能.     

双密度层流化床形成机理

对一种可用于三产品分选的双密度层流化床的形成机理进行了实验和理论研究，分析了流化床中的颗粒受力，论证了锥形段的强化分离功能．研究结果表明，特殊的床型设计强化了二元粒子的分离，适宜的流化气速可使各分选带内的床层密度相对均匀，二者结合可形成能满足选煤工艺要求的双密度层流化床．     

气固流化床中颗粒分离的软球模拟

基于颗粒轨道模型,建立了粒径服从均匀分布的二组分颗粒分离的软球模型.其中流体运动用Navier-Stokes方程描述,颗粒运动满足牛顿第二定理,两相间的耦合由牛顿第三定理确定.研究了表观气速、颗粒平均质量、颗粒直径分布范围、颗粒碰撞参数对二组分颗粒分离的影响.研究结果表明:表观气速太大或太小都会减弱二组分颗粒的分离行为;在各组分颗粒密度不同条件下,不同组分颗粒的平均质量相差越大,颗粒分离越明显;在各组分颗粒密度相同条件下,不同组分颗粒的直径分布范围差别越大,颗粒分离越好;理想状态下,颗粒分离的速度较快,且分离较完全.     

基于颗粒模型的取样钳粉末注射成形

基于颗粒模型对粉末注射成形进行模拟,假设粉末为允许有重叠量的刚性体,黏结剂处理成颗粒间的黏性连接,在PFC3D离散元程序中编程模拟取样钳零件的三维粉末注射成形过程。研究结果表明:在型腔中心区域发生颗粒聚集,产生较大的中心压力,颗粒的填充速度矢量呈中心发散性,界面处颗粒密度明显小于中心区域。尖角部分由于较大的注射阻力难以填充,导致颗粒密度不均而使最终产品产生变形。对取样钳零件的实际注射实验表明确实存在粉末颗粒难以进入具有较大阻力的尖角部位而导致尖角区域存在较多黏结剂,型腔中心区域颗粒密集,而贴近型腔壁颗粒稀疏。这种粉末密度分布不均的现象与颗粒模型模拟的结论相符合。     

稻草及木屑与煤二元混合颗粒的流化特性

为获得生物质与煤混合颗粒的最小流化速度(Umf)与混合颗粒流化时的分离特性,借助高速摄像仪、压力在线采集系统等对稻草及木屑两种生物质与煤二元混合颗粒的流化特性进行了研究。当生物质掺混比(质量分数)低于5%时,二元混合颗粒的流化性能与煤粉单独流化接近,甚至在一定程度上提高了流化质量;但随着生物质颗粒与煤颗粒的粒径差异增大以及生物质掺混比增大到10%左右,二元混合颗粒流化质量变差,逐渐出现分离和穿孔等现象。随着混合颗粒中生物质掺混比的增大,最小流化速度随之增加。基于实验研究结果,提出了用于预测生物质与煤二元混合颗粒最小流化速度的改进模型。另外研究还表明随着生物质掺混比的增大,混合颗粒离析程度加剧,床层出现不稳定流化现象。     

炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘数值分析

利用双线性内聚力模型对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的界面脱粘现象进行模拟仿真.应用数值分析方法,以基于内聚力模型的界面单元来构建界面相,研究了不同炭黑颗粒形状、炭黑弹性模量、炭黑体积分数和最大界面粘结强度对炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘过程的影响.模拟结果表明:光滑的颗粒表面,较小的弹性模量,减小炭黑体积分数以及增大界面粘结强度,能够避免界面脱粘现象过早发生.     

DEM/CFD modelling of the deposition of dilute granular systems in a vertical container

Deposition of granular materials into a container is a general industrial packing process. In this study, the deposition behaviour of dilute granular mixtures consisting of two types of particles that were of the same particle size but different particle densities in the presence of air was numerically analyzed using a coupled discrete element method （DEM） and computational fluid dynamics （CFD）. Bilayer granular mixtures with light particles at bottom and heavy particles at top were first simulated. It was found that the presence of air significantly affected the flow behaviour of the bilayer mixtures. For the system with a relatively low initial void fraction, the air entrapped inside the container escaped through the dilated zones induced due to the friction between the powder bed and wall surfaces. The escaping air streams entrained light particles that were originally located at the bottom of the granular system. Consequently, these light particles were migrated to the top of the granular bed at the end of deposition process. More light particles were migrated when the deposition distance was increased. For the system with a high initial void fraction, some light particles penetrated into the top layer of heavy particles and created a mixing zone. Deposition of random mixtures with different initial void fractions was also investigated and the influence of initial void fraction on the segregation behaviour was explored as well. It was found that the increase of void fraction promoted segregation during the deposition in air. It was demonstrated that, for granular mixtures consisting of particles of different air sensitivities, the presence of air had a significant impact on the mixing and segregation behaviour during the deposition.     

粒径呈幂律分布的颗粒气体中的颗粒分离行为特性

采用分子动力学方法模拟了受到边界振动的粒径呈幂律分布的颗粒气体中的颗粒分离行为特性.研究发现当系统受到振动时,模拟区域出现温度梯度,系统出现颗粒分离现象,所有的颗粒都会朝着温度低的区域移动,且大颗粒比小颗粒更趋向于聚集在低温区域;系统大颗粒和小颗粒间的粒径差越大,系统的颗粒分离行为越显著.同时,系统的子区域中的局域粒径分布函数仍然为幂律分布.     

单层水平振动颗粒系统中颗粒分离的研究

为了研究单层水平振动颗粒系统中的颗粒分离现象，将一种基于平均场理论的统计力学方法运用到格点化的单层水平振动颗粒体系中.考虑由2种不同大小颗粒组成的体系，给出了体系的哈密顿量和配分函数.计算出了颗粒的分布趋势，计算结果在一定程度上解释了单层水平振动颗粒体系中不同大小颗粒的分离现象.     

高速压制粉末散体空间分形维数及热传导

基于分形理论,利用粉末散体空间的堆积密度、粉末颗粒的密度和孔隙介质的密度,推导出了计算粉末散体空间分形维数的公式;利用等效热阻法建立了粉末散体空间有效热导率的串联分形模型,并给出了考虑热辐射条件的有效热导率的计算公式.通过分形维数和有效热导率计算公式的函数曲线,分析了堆积密度对分形维数以及分形维数、温度对有效热导率的影响,结果表明：粉末散体空间分形维数随堆积密度增大而增大,有效热导率随分形维数增大而减小,随温度升高而增大.     

颗粒堆积物在不同堆放方式下的占空比和分形维数的计算

通过计算机编程模拟了在二维体系下颗粒堆积物规则堆积、交错堆积、随机堆积、混合堆积的过程,计算了不同堆放方式下颗粒堆积物的占空比k及分形维数d.我们发现颗粒物质的占空比k及分形维数d与堆积方式和颗粒大小有关.     

级配对矿质颗粒体离析的影响研究及应用

 为取得不易离析的路面颗粒材料,开展了级配对矿质颗粒体离析的影响研究。首先通过实验研究,确定反映路面颗粒材料离析的试验方法;然后应用级配设计理论,设计不同级配参数的矿质颗粒体,根据各颗粒体离析试验结果,采用级配设计参数与表征颗粒体粒径分布的平均粒径与粒径分散系数,分析颗粒体级配与其离析程度的关系。研究发现,最大粒径相同的颗粒体,平均粒径和粒径分散系数存在离析程度最小的临界值,超出此临界值的颗粒体离析程度变大;临界值对应的级配为次级粒径颗粒填充上级粒径颗粒空隙时,留下适当空间的级配;且平均粒径和粒径分散系数存在良好对应关系,粒径分散系数随平均粒径的增大而减小。另外,对比分析了矿质颗粒体离析试验与沥青混合料施工离析的对应关系。     

Some open problems in granular matter mechanics

Granular matter is a large assemblage of solid particles, which is fundamentally different from any other type of matters, such as solid and liquid. Most models presented for granular matter are phenomenological and are only suitable for solving engineering problems. Many fundamental mechanical problems remain open. By analyzing characteristics of internal state structure, we propose that granular matter is intrinsically multiscale, i.e. microscale of particle size, mesoscale of force chain, and macroscale of the bulk of granular matter. The correlations among difference scales would be crucial. The mesoscale force chain network is determined by both particle properties and macroscopic boundary conditions. The evolution of the force the chain network contributes to macroscopic mechanical properties of granular matter. In addition, we discuss the drawbacks in simplifying contact forces in the current models, and the difficulties in analyzing the interaction of interstitial fluid in wet granular matter. As an appropriate application of granular matter, debris flow can be studied with granular matter mechanics; meanwhile, debris flow brings more challenges which certainly motivate future studies on granular matter.     

颗粒体离析性评价方法研究

为取得不易离析的路面颗粒材料,研究了不同级配颗粒体的离析性能。根据路面材料离析过程设计了颗粒体的离析试验,以四元矿质颗粒体为研究对象,建立颗粒体的粒径连续分布模型,确定表征级配的参数,分析级配参数与颗粒体离析程度的关系。研究发现,随着颗粒体平均粒径和粒径分散系数的增大,其离析程度有加剧的趋势;且粒径分散系数差与平均离析率线性相关,前者既可在离析试验中评价颗粒体的离析程度,又具有在工程中便捷评估离析材料可用性的实用意义。以上四元颗粒体的研究结果也可用于更多元颗粒体和沥青混合料的离析分析。