混合器中顆粒的混合與分聚
發(fā)布時間：
2022-06-28
中科院物理研究所，北京100190 2西北師范大學，蘭州73000703貴州大學理學院，貴陽550025器中，隨著轉速、填充率的變化，顆粒體系發(fā)生明顯的分聚現(xiàn)象，但顆粒尺寸的增加，促進了顆粒體系的混合;在正方形混合器中，隨著顆粒尺寸、轉速、填充率的改變，顆粒體系明顯地出現(xiàn)混合，并無分聚現(xiàn)象發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)幾何效應對顆粒體系的混合與分聚起到主要作用。
中科院物理研究所，北京100190 2西北師范大學，蘭州73000703貴州大學理學院，貴陽550025器中，隨著轉速、填充率的變化，顆粒體系發(fā)生明顯的分聚現(xiàn)象，但顆粒尺寸的增加，促進了顆粒體系的混合;在正方形混合器中，隨著顆粒尺寸、轉速、填充率的改變，顆粒體系明顯地出現(xiàn)混合，并無分聚現(xiàn)象發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)幾何效應對顆粒體系的混合與分聚起到主要作用。
前言顆粒材料豐富的動力學現(xiàn)象，在自然和工業(yè)過程中產(chǎn)生了深遠影響。尤其顆粒體系在流動的過程中會出現(xiàn)混合與分聚的效應，混合與分聚經(jīng)常會出現(xiàn)在醫(yī)藥、食品、化工、陶瓷、"金、建筑行業(yè)等。為了有效地控制顆粒體系的混合與分聚，豎直振動、水平振動以及旋轉筒等方法經(jīng)常被采用。但是，由于顆粒體系的復雜性，顆粒體系的混合與分聚效應受到多種因素的影響，如顆粒的尺寸、混合器的形狀、填充度等。近年來，顆粒體系的混合和分聚研究取得了一定的進展，許多專家學者研究了顆粒密度和顆粒粒徑等對顆粒體系混合與分聚的影響，尤其從不同的角度對轉筒的操作參數(shù)、結構參數(shù)的優(yōu)化進行了大量的數(shù)學建模、數(shù)值模擬、實驗模擬等有益工作，并取得了很多成果"4.VanPuyvelde等人采用基于圖像處理技術的方法分析了轉速、填充率、顆粒直徑對接觸面積的影響。
本文以準二維旋轉混合器中二元顆粒體系為研究對象。在不同的混合器中，改變填充度、顆粒尺寸、轉速來拍取圖片及示蹤一個顆粒的運動軌跡。對于拍攝到的圖片及顆粒的軌跡，通過圖像處理技術來定性的分析顆粒體系的分聚與混合。最后將對實驗進行模擬。
實驗裝置與方法本實驗裝置由二種不同形狀的二維混合器(圓形、正方形)，步進馬達'，高速攝像機組成。混合器的外圍由錯合金加工制作，封蓋由有機玻璃構成。圓形混合器的直徑厚度/i=5.5mm;正方形混合器的邊長Z=12cm，厚度fc=5.5mm.混合器的正后方裝有步進馬達，通過步進馬達，可以改變混合器的旋轉速度。實驗中，我們設置轉速w=lr/min4r/min.混合器的正前方架有分辨率為64x480像素的高速攝像機PrSiliCa(GE680C)來捕捉顆粒的運動。高速攝像機與電腦相連接，拍攝時設置每秒鐘120幀。實驗時，為了增加顆粒與背景的反差，使得拍攝效果更容易辨別顆粒，用自動噴漆資助項目：國家自然科學基金重點項目(11034010)、國家自然科學基金(11274354)、地震行業(yè)科研經(jīng)費(21208011)和中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA04020200)、國家自然科學基金(批準號：11275156，將混合器全部噴成黑色，同時在混合器四周使用LED燈照射顆粒。顆粒材料選取鋼珠(/=5mm)、透處理顆粒不同時刻動態(tài)演化行為的圖片。實驗采用兩種方法：(1)在兩種混合器中分別填充25%、50%、75%的塑料珠(2~3111111或4~511)，并且給塑料珠涂有亞光漆(便于程序的識別)，同時放有一顆5mm的鋼珠，然后改變混合器的轉速，在不同轉速下可以獲得鋼珠的軌跡。(2)在兩種混合器中分別填充25%、50%、75%的塑料珠(2~3mm或4~5mm)和鋼珠(當混合器的填充率為25%時，其中填充鋼珠28顆;當圓形混合器的填充率為50%和75%時，其中填充鋼珠98顆;當正方形混合器的填充率為50%和75%時，其中填充鋼珠54顆)，并把鋼珠噴有亞光漆。然后改變轉速，顆粒體系將在混合器中運動，轉動一定時間后等顆粒體系穩(wěn)定下來之后，使其轉動停止，便可拍攝到不同轉速下的圖片。
實驗結果與分析3.1圓形混合器填充率承載顆粒(23)承載顆粒(45mm)胗Si表示在圓形混合器中不同：充率、轉速、顆粒尺寸下的實驗結果：從上中，圖片可以清楚看出，在填充率和顆粒尺寸一定時，隨著轉速的增加，顆粒體系發(fā)生分聚現(xiàn)象，尤其在承載顆粒為2~3mm時;在顆粒尺寸和轉速一定時，隨著填充率的增加，顆粒體系發(fā)生的情況比較復雜;在轉速和填充率一定時，隨著顆粒尺寸的增加，顆粒體系發(fā)生明顯的混合。
以上分析我們可以得到，轉速對顆粒體系的分聚影響最大，顆粒尺寸次之，填充率不好分辨。
我們通過追蹤一個顆粒的軌跡范圍來分析顆粒體系的混合與分聚情況。從不同的混合器、轉速、填充率、顆粒尺寸，可以得到追蹤顆粒的軌跡分布范圍，我們推測到在軌跡線越密集、范圍越小的區(qū)域將是等同所有顆粒分布的區(qū)域，如。因此我們對軌跡較密包圍的區(qū)域求其面積，可以得到在不同轉速下顆粒體系分聚程度。從U)中我們看到隨著轉速的增加，在不同的填充率下，軌跡包圍的面積在減少，說明顆粒體系分聚明顯發(fā)生。從(b)中我們看到隨著轉速的增加，在填充率為75%，隨著轉速的增加，軌跡的面積在減少，顆粒體系的分聚發(fā)生;但在填充率為25%和50%時，轉速><50時，顆粒體系的分聚發(fā)生，>50時，面積反而增加，說明轉速、填充率、顆粒尺寸破壞了顆粒體系的分聚。
(a>表示承載顆粒為2~3mm時，不同轉速下面積的變化(b>表示承載顆粒為4 ~5mm時，不同轉速下面積的變化3.2正方形混合器填充率承載顆粒(2~3mm)承載顆粒(45nim)表示在正方形混合翳中不同填充率、轉速、顆粒尺寸下的實驗結果在正方形混合器中，從圖片中顆粒體系的分布范圍可以看出，無論如何改變轉速、顆粒尺寸、填充率，顆粒體系都不會發(fā)生分聚現(xiàn)象，反而產(chǎn)生的混合現(xiàn)象是非常明顯地。這說明正方形混合器適用于顆粒體系的混合。，從以上兩種混合器的研究我們看到，隨著轉速的變化，圓形混合器適用于顆粒體系的分聚，正方形混合器適用于顆粒體系的混合。但為什么圓形混合器能使得顆粒體系發(fā)生分聚而正方形混合器發(fā)生的是混合呢，從圖片中的顆粒流層面看到，隨著混合器的轉動，圓形混合器的流層穩(wěn)定的變化，而正方形混合器的流層很不穩(wěn)定，這說明顆粒體系混合與分聚的影響在流層，對于流層分析這里我們不做詳細討論。
模擬結果2Dimensions)是數(shù)值計算的主體程序，該離散兀程序包含以下假設條件：(1)所有單元顆粒都被視作剛體;(2)接觸只發(fā)生在接觸點周圍極小的范圍內(nèi)，即可看做點接觸;(3)在接觸點允許剛性粒子間存在疊合，即采用軟接觸方式，且疊合量遠小于粒子本身的大小;(4)接觸力通過力-位移的本構關系與疊合量相關聯(lián);(5)相互接觸的顆粒之間可存在黏結力;(6)顆粒均為球形，但塊邏輯(clumplogic)可生成任意形狀的超聚粒?，F(xiàn)有大部分顆粒模型都是基于圓盤或球顆粒模型的，因此現(xiàn)有的離散單元程序僅適用于形狀近似于圓形、球形或橢球形的散體顆粒。
在模擬中我們采用線性接觸模型，當兩個顆粒存在接觸時，兩個接觸實體的切向剛度和法向剛度通過串聯(lián)方式相互作用。線性接觸模型中切向剛度可通過下式計算：t向剛度<可通過下式計算：1和2表示兩接觸實體(球或墻面)。模擬參數(shù)如下表1：表1模擬參數(shù)參量數(shù)值混合器壁法向剛度混合器壁切向剛度鋼珠法向剛度塑料珠(兩種)法向剛度鋼珠切向剛度塑料珠(兩種丨切向剛度阻尼系數(shù)摩擦系數(shù)時間步長通過以上實驗，我們對實驗的每一種結果進行模擬，模擬中顆粒及混合器的大小參數(shù)都按實驗中的參數(shù)所取，如，可以看到模擬結果與實驗結果能夠很好的符合。
圓形混合器正方型混合器填充率承涫顆粒(23mm)承栽顆粒(4、5mm)承載顆粒(23mm)承戰(zhàn)顆粒(5mm)表示在不同混合器中不同填充率、轉速、顆粒尺寸下的模擬結果5結論本文通過對不同形狀混合器中顆粒體系的研究發(fā)現(xiàn)，在圓形混合器中，轉速對顆粒體系的分聚影響最大3在正方形混合器中，無論轉速、顆粒尺寸、填充率如何變化，顆粒體系的都不會發(fā)生分聚，一直處于混合狀態(tài)。我們可以得到幾何效應對顆粒體系的混合與分聚起到主要作用。
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