颗粒材料流经漏斗的动力学特征研究

摘要

深入认知重力驱动颗粒材料动力学行为是当前颗粒物质研究领域的一个热点和难点。本文以重力驱动颗粒材料流经漏斗的动力学特征为研究对象，重点探讨了漏斗流的流率与压力之间的关联，以及流经漏斗后自由下落颗粒束流不稳定性等问题。结果表明:
　　 (1)采用弹性变形装置检测到重力驱动颗粒材料流经漏斗时漏斗底部压力保持稳定，结合颗粒堵塞转变状态方程和颗粒对壁面作用力饱和效应，证实流率服从Beverloo公式的物理本质是压力保持恒定，否定了Aguirre等人最近对漏斗流率压力相关性的质疑。据此推断:筒仓卸料过程中动态颗粒具有类似于静态颗粒的应力饱和效应。
　　 (2)流经漏斗自由下落的颗粒流产生团簇不稳定现象与剪切带的形成和颗粒介质剪切膨胀效应相关。颗粒介质流经漏斗时流场中的剪切速率超过临界值导致剪切不稳定，引起密度和粘性的耦合变化，结合Jaeger等提出的颗粒间纳牛量级粘合力导致团簇不稳定的推论，比较完整地解释了颗粒束流的团簇不稳定行为。
　　 (3)导致瓶颈效应的物理机制主要是由于流经瓶颈（漏斗）时颗粒介质中存在压力饱和效应，限制了流率的提高。为抑制瓶颈效应，提高漏斗流率，受漏斗流流率与压力相关和颗粒束流稳定性原理启发，提出了两级漏斗结构模型:使颗粒以高速束流状态通过Ⅱ级漏斗（通道宽度最小处），从而显著提高颗粒流经Ⅱ级漏斗的流量。理论上可利用这种途径有效抑制瓶颈效应，提高粉体物料通过漏斗等瓶颈容器的流率。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 颗粒物质概述

1．1．1 颗粒物质简介

1．1．2 颗粒物质的研究进展

1．2 颗粒材料的堵塞、堆积与屈服

1．2．1 颗粒间相互作用的介观结构：力链、力环和力网

1．2．2 颗粒材料的堵塞

1．2．3 颗粒材料的堆积及粮仓效应

1．2．4 剪切稳定性

1．2．5 局部屈服与流动的全域性

1．3 重力驱动下颗粒材料在漏斗中的流动

1．3．1 流动模式及其影响因素

1．3．2 流率及其影响因素

1．3．3 颗粒材料随机游走模型

1．4 重力驱动颗粒物质漏斗流相关学术争论

1．4．1 漏斗流流率与压力分布是否相关的学术争论

1．4．2 颗粒束流不稳定性本质原因的争论

1．5 研究现状和存在的关键难题

1．6 本研究内容、目标和意义

第二章 实验材料与方法

2．1 实验用颗粒材料和装置

2．1．1 试验用颗粒材料

2．1．2 实验仪器和装置

2．2 实验方案和内容

2．2．1 研究路线

2．2．2 漏斗流流率与压力相关性研究

2．2．3 颗粒束流稳定性及其影响因素

第三章 漏斗流流率与压力相关性研究

3．1 引言

3．2 漏斗流流态与压力相关性

3．2．1 颗粒形状对漏斗流流态的影响

3．2．2 漏斗流流场分布

3．2．3 剪切带上力链演化和颗粒扩散

3．2．4 颗粒堆积高度对漏斗底部压应力的影响

3．3 流率与压力相关性分析

3．3．1 二维漏斗底部弹片变形分析

3．3．2 重力驱动下颗粒材料在楔形漏斗中流动的连续性方程描述

3．3．3 重力驱动下漏斗流中力的传递

3．3．4 密集颗粒流状态方程

3．3．5 流率与压力相关性理论分析

3．4 本章小结

第四章 颗粒束流及其稳定性分析

4．1 引言

4．2 漏斗流中的密度波及其解释

4．2．1 密度波

4．2．2 斑团模型对密度波的解释

4．3 颗粒束流不稳定性

4．3．1 流体在简单剪切中不可压缩性失效

4．3．2 颗粒束流收缩

4．3．3 结果讨论

4．3．4 颗粒束流不稳定性机理分析

4．4 两级漏斗结构对颗粒流动特征的影响

4．4．1 颗粒漏斗流瓶颈效应

4．4．2 两级漏斗结构对漏斗流流率的影响

4．4．3 对交通流的启示

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果