双组元颗粒材料准二维流动中的斑图形成机理

摘要

多组元颗粒材料流动过程的自发分聚及斑图形成机理是近年来粉体科学与工程研究的热点和难点问题。本文在准二维装置中开展了颗粒材料坍塌、密集流动、堵塞、连续流动-间歇坍塌两种流态之间滞后转变，以及自发分聚和斑图形成机理等问题的研究，获得如下结论:
　　 1.双组元颗粒混合物在准二维HeleShaw装置中流动时，颗粒流量Q和物性差异（主要是大小组元粒径比(φ)=dL/dS和安息角差异δ=θL-θS）对流动过程和堆积形态的影响最为显著。增大流量Q，减小粒径比（(φ)＜1.4），有利于抑制渗透效应，体系趋于混合;增大粒径差异（(φ)≥1.4），降低流量Q，在安息角差异δ＜0的条件下，体系会产生完全分聚现象;如果δ＞0，且体系呈现间歇坍塌时，将形成较为规则的层状斑图。层状斑图中，大小颗粒的交界面倾角随流量增大呈线性增长，趋近于各自体系中大组元的安息角。层状斑图的波长与流量的关系为:λ∝Q2/3。
　　 2.转鼓转速是单组元颗粒材料流态的序参数。低速转动时，间歇坍塌-连续流动之间的流态转变具有临界性，由于间歇坍塌流和连续流所形成堵塞堆积结构中应力分布、密度分布及力链力网结构不同，故导致随着转速提高或降低时发生流态间临界转变的转速分别为Ω+和Ω-，△Ω=（Ω+-Ω-）＞0，体系存在流态转变的滞后行为（类似磁滞现象）。
　　 3.在准二维转鼓中颗粒混合物处于连续流态，且大小颗粒通过自发分聚形成月亮斑图才能演化为规则的花瓣斑图。花瓣斑图形成机理为:大小颗粒组元因自发分聚形成月亮斑图，颗粒组元浓度波动和流动的不稳定性会使月亮斑图边界形成锯齿形萌芽，并通过“wave-breaking”机制演化出初始花瓣，在记忆效应和动态安息角差异耦合引起的强化作用下粗化生长，最终形成结构稳健的花瓣斑图。花瓣瓣数N的表达式为:N=(Ψ)/(1+C(φ))Aexp(BΩ)
　　 其中(Ψ)为颗粒材料自由表面在转鼓中覆盖的角度，A和B为与物性相关的参数，C为表征花瓣斑图中大小组元间的渗透情况的参数，(φ)为小组元与大组元体积配比。对于双分散玻璃珠混合物:A=4.76，B=0.15，C=0.9;对于玻璃珠与钢珠混合物:A=9.13，B=0.06，C=0.7。当转鼓边界条件和混合物体系确定后，花瓣瓣数与序参数Ω呈幂指数关系。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 颗粒物质概述

1．1．1 颗粒物质研究背景

1．1．2 颗粒物质基本特性

1．2 颗粒物质的密集流动

1．2．1 围限流与自由表面流

1．2．2 自由表面流中相关动力学的异同

1．2．3 堆积流和转鼓流的流态划分

1．2．4 堆积流和转鼓流中的典型流态

1．2．5 颗粒密集流动描述模型

1．3 多组元颗粒物质集体系统的分聚及斑图

1．3．1 颗粒混合物堆积流中自发分聚及斑图

1．3．2 颗粒混合物转鼓流中自发分聚及斑图

1．3．3 多组元颗粒物质流动描述模型

1．3．4 现存问题

1．4 研究内容和目的

第二章 实验

2．1 实验材料和实验装置

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验装置

2．2 实验方案

2．2．1 研究路线

2．2．2 实验过程

2．2．3 测量及分析方法

第三章 准2D Hele Shaw装置中双组元颗粒材料混合分聚及斑图

3．1 堆积流中混合分聚及斑图实验结果及分析

3．1．1 颗粒混合物堆积流混合分聚实验结果

3．1．2 层状斑图粗细相间交界面角度

3．1．3 形成上行堵塞波的准周期性

3．1．4 层状斑图波长(层间厚度)与流量的关系

3．1．5 完全分聚中的堆积角度

3．2 小结

第四章 转鼓中“间歇坍塌-连续流动”流态转变的滞后行为

4．1 单组元颗粒物质转鼓流动实验结果和讨论

4．1．1 玻璃珠流态转变实验结果与分析

4．1．2 坍塌流动和连续流动堆积情况的分析

4．1．3 滞后转变机理验证实验

4．2 小结

第五章 准2D转鼓中双组元颗粒材料的混合分聚及斑图形成

5．1 转鼓流中混合分聚及斑图实验结果及分析

5．1．1 颗粒混合物转鼓流混合分聚实验结果

5．1．2 花瓣斑图的形成过程

5．1．3 花瓣斑图的形成机理

5．1．4 花瓣瓣数与转速的关系

5．1．5 花瓣瓣数表达式

5．1．6 表达式的验证与应用

5．2 准2D堆积流与转鼓流中混合分聚及斑图的对比

5．2．1 结果对照及分析

5．2．2 转鼓规则花瓣形成条件

5．2．3 转鼓中混和所需条件

5．3 小结

5．4 存在问题及展望

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果